天马望远镜Ka波段宽带圆极化器研制

天马望远镜Ka波段宽带接收机是研究恒星形成、星际介质以及深空探测的重要观测平台。论述了接收机核心器件Ka波段宽带圆极化器的研制过程。该器件由90°两壁波纹移相器和改进型双脊波导形式的正交模式耦合器构成,工作频带为26.5~40 GHz,相对带宽达到41%。首先介绍了圆极化器的应用背景及工作原理,继而进行模型设计和仿真优化,最后进行结构设计和样品实测。实测结果显示,移相器的相移误差为90±4°,轴比达到0.6 d B,正交模式耦合器的交叉极化为-26 d B,隔离度为-35 d B,器件端口驻波均低于-18 d B,实测结果与设计仿真相符。     

K波段宽带圆极化器设计

设计了一个K波段圆极化器,其工作频率为18至26.5 GHz。K波段包含多条重要的射电天文分子谱线,此波段圆极化器的研制对于天文观测与科学研究有极其重要的意义。圆极化器用于将线极化波转换为圆极化波以便于射电望远镜进行观测。包括其工作原理、设计要点、模型仿真结果等内容。主要着眼于正交模式转换器与移相器这两个圆极化器中的重要器件,通过工作原理分析以及电磁仿真的方法进行器件的具体设计并得出仿真结果。仿真结果各个端口回波损耗均小于-20 d B,且移相器的移相误差小于3.3°。     

ADS辅助实现线极化到圆极化的转换

给出C波段双圆极化低噪声接收机中圆极化输出的实现方案,研究了利用90°电桥进行线- 圆极化转换时两个线极化通道增益及相位的平衡度对圆极化隔离的影响。分析了如何通过调节一对同轴电缆的长度差来补偿相位不平衡,并借助ADS软件计算了该长度差,实现了线-圆极化转换,取得接收机两个圆极化之间的隔离度好于20dB的效果。     

W波段宽带正交模耦合器设计

W波段接收机系统能有效接收多条重要的射电天文分子谱线信息,对于天文观测和科学研究有重要意义。W波段正交模耦合器(Ortho-Mode Transducer, OMT)作为接收机系统实现极化分离的关键器件,其性能对接收机整体性能有重要影响。介绍了一款基于Boifot结构的W波段宽带正交模耦合器,并介绍了正交模耦合器的工作原理和设计流程。仿真结果表明,在70～116 GHz频带内,正交模耦合器相对带宽达到49.4%,回波损耗优于18.7 dB,交叉极化优于55.8 dB,端口隔离度优于54 dB。     

L波段致冷低噪声放大器

介绍了应用于射电天文望远镜L波段接收机系统的致冷低噪声放大器的设计。该放大器采用了Agilent公司ATF - 35 14 3假晶高电子迁移率场效应管 (pHEMT) ,为两级级联结构 ,频率范围16 0 0～ 174 0MHz。在物理温度小于 15K(Kelvin)的环境中 ,放大器工作正常 ,两级直流偏置点都在2V 7mA ,增益 2 8.7～ 2 8.9dB ,噪声 3.2～ 3.8K ,输入匹配好于 - 2 2dB ,输出匹配好于 - 16dB ,无条件稳定。     

L波段致冷低噪声放大器

介绍了应用于射电天文望远镜L波段接收机系统的致冷低噪声放大器的设计。该放大器采用了Agilent公司ATF-35143假晶高电子迁移率场效应管(pHEMT)．为两级级联结构，频率范围1600～1740MHz。在物理温度小于15K(Kelvin)的环境中，放大器工作正常，两级直流偏置点都在2V7mA，增益28．7—28．9dB，噪声3．2—3．8K，输入匹配好于-22dB，输出匹配好于-16dB，无条件稳定。     

宽频带波纹波导差分移相器的研究

波导极化器是射电天文接收机系统中的重要微波器件,其核心部分是差分移相器。通过对移相器的分析,详细研究了宽带波纹方波导差分移相器的特性。应用电磁仿真软件对32 GHz~48 GHz(7 mm波段)的波纹方波导移相器结构进行了设计与优化,在整个带宽范围内得到90°±7.5°的良好相移特性,驻波比仅仅为1.02。研制具备尺寸小、性能优和宽频特点的差分移相器满足射电天文接收机发展需求,可以改善接收机的性能,并有效提高对天文射电源相关特性等的观测能力。     

Ku波段宽带低噪声放大器的关键技术研究

低噪声放大器LNA(Low Noise Amplifier)是射电天文接收机的重要组成部分,其等效噪声温度决定了接收机的灵敏度。该文介绍了一种宽带Ku波段低噪声放大器的设计原理和方法,并给出了仿真结果。该放大器采用NEC公司的NE3210S01高电子迁移率场效应晶体管HEMT(High E-lectron Mobility field-effect Transistor)三级级联结构。在11～13GHz范围内的增益大于29.7dB,等效噪声温度小于55K,输入输出匹配好于-25dB。     

射电天文4—40GHz超宽带低噪声放大器设计

超宽带接收机面临众多技术挑战,而关键技术难点之一是超宽带低噪声放大器.采用以砷化镓材料为基底的70 nm栅长改性高电子迁移率晶体管和双电源偏置4级放大电路结构,设计了一款4–40 GHz超宽带低噪声单片微波集成放大器,完整覆盖C、X、Ku、K、Ka共5个波段.设计仿真结果表明,该放大器增益为(40±2.5) dB,常温下噪声温度平均95 K, 4–12.5 GHz噪声温度全频带低于83 K,直流功耗130.5 mW.整个频带内输入反射系数典型值-10 d B,输出反射系数典型值-15 d B,全频带范围内稳定,无自激振荡现象.该器件可做为前置放大器,应用于超宽带接收机和大规模多波束接收机中,可有效提高射电望远镜观测效率.     

四阵元微带天线阵列试制与测试

将阵列天线放置于射电望远镜焦平面处,结合波束合成网络,可以同时观测一片天区,实现更大的视场覆盖。由于需要对各个阵元的幅度和相位进行调控,阵列天线实际就是一个小型相控阵,因此在做阵列设计时,除了需要结合反射面焦面场分布及望远镜拟实现的视场以外,阵列自身的性能验证可以参照传统相控阵进行。设计并加工了工作在1.27 GHz的2×2矩形排布的微带贴片天线阵列,阵元间距为0.7倍波长。经实测,各端口S11均在-10 dB以下,4阵元合成后波束增益为12.54 dBi,通过为对应阵元添加理论偏移30^°的延时线,实测阵列的波束扫描角度为28.3^°。上述实测数据与仿真结果相比虽略有差异,这和阵列加工及馈电端口焊接有关,但相关工作为之后更多阵元的阵列天线设计、研制及测试积累了经验,尤其对性能验证具有较高的指导意义。     

倒“V”型栅板偶极子天线设计

射电天文在HF-VHF频段采用天线组阵的方式进行观测,根据平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)的要求,每个阵列单元天线的增益、结构一致性、稳定性、阻抗变化趋势和极化纯度等方面需要达到较高指标,才能满足太阳、木星、再电离纪元等多种测量在极化测量、天线跟踪稳定性以及接收机宽带匹配等方面的需求。根据SKA requirement 2165:极化纯度2135-38和每极化方向灵敏度2814-15提出的性能需求,以及在总结原有设计的经验后,针对10～90 MHz频段,设计了一种适用于HF-VHF的新型倒“V”型栅板偶极子天线,具有重量轻、风阻小等优点,在10～90 MHz的超宽频段内阻抗变化缓慢、极化纯度良好。其中,在阻抗变化方面,天线的阻抗实部从0.8Ω到631.132Ω变化,优于低频射电阵列(Low Frequency Array, LOFAR)的天线,降低了接收机匹配难度和噪声;在极化纯度方面,天线整体轴比小于0.41 dB,对于太阳射电爆发等强极化信号具有良好的极化隔离度。