基于100 nm砷化镓pHEMT工艺的C波段宽带低噪声放大器芯片

作为射电天文接收机系统的关键器件, 低噪声放大器的噪声和增益性能对接收机系统的灵敏度有重要影响. 采用100nm砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, pHEMT)\lk工艺, 研制了一款可覆盖C波段(4--8GHz)的低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA). 所设计的LNA采用3级共源级联放大拓扑结构, 栅极、漏极双电源供电. 常温下测试表明, 该LNA在4--8GHz频段内平均噪声温度为\lk60K, 在5GHz处获得最低噪声温度50K, 通带内增益($31\pm1.5$)dB, 输入输出回波损耗均优于10dB, 芯片面积为$2.1\times1.1$mm², 可以应用于C波段射电天文接收机以及卫星通信系统等.     

Q波段宽带圆极化器设计与研究

为满足天马望远镜Q波段(35-50 GHz)双波束致冷接收机的需求,介绍了一种Q波段宽带圆极化器的设计。圆极化器采用90°移相器与正交模式转换器组合的方式,其中,90°移相器利用双壁波纹移相结构,仿真结果表明,工作带宽内可以达到90°±3°;正交模式转换器采用十字转门结构,仿真结果表明各端口反射系数好于-25 dB,输出端口隔离度好于-60 dB。文章还给出了对实际加工90°移相器与正交模式转换器具有指导意义的容差分析,并且给出了90°移相器与正交模式转换器组合的仿真结果。组合而成的圆极化器性能满足天马望远镜Q波段致冷接收机的设计指标:端口反射系数好于-20 dB,输出端口隔离度好于-32 dB。     

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。     

数字边带分离混频器的优化与仿真

简要介绍了利用现代数字信号处理技术实现的适合宽带超宽带接收机的数字边带分离混频器的数学原理,同时对数字边带分离混频器进行了优化,并用MATLAB在L波段(1~2 GHz)对数字边带分离混频器优化进行了仿真验证,在500 MHz的带宽内实现了优于300 dB的边带抑制率。这些工作为利用数字技术实现数字边带分离混频器提高了运算速度,符合射电天文接收机向宽带超宽带和集成化发展的趋势。     

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。     

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。     

2～18 GHz超宽带低噪声放大器芯片研制

低噪声放大器在射电天文望远镜接收机中是一个重要的前端组件,其性能对接收机的灵敏度和噪声有至关重要的影响。采用OMMIC公司70 nm GaAs mHEMT工艺研究和设计了一款工作频率为2~18 GHz的超宽带单片微波集成低噪声放大器芯片,芯片面积为2 mm×1 mm。放大器电路采用三级级联放大、双电源供电拓扑结构,常温在片测试结果显示,全频带增益大于28 dB,噪声温度平均值为93 K,直流功耗150 mW,无条件稳定。该放大器芯片覆盖了射电天文S,C,X,Ku 4个传统观测波段,适用于厘米波段超宽带接收前端和毫米波段超宽带中频放大模块。     

基于砷化镓晶体管的1.35～2.0GHz低噪声放大器

低噪声放大器(Low Noise Amplifier, LNA)是接收机系统的关键器件,其性能决定了接收机系统的噪声温度和对微弱射电信号的放大能力。采用Avago公司砷化镓(GaAs)工艺的pHEMT ATF-54134研制了一款可工作在1.35～2.0 GHz频率范围内的低噪声放大器。该放大器采用两级拓扑结构,单电源自偏置供电,典型增益28 dB,典型噪声温度35 K,输入回波损耗优于-10 dB,输出回波损耗优于-15 dB,输入1 dB压缩点为-13 dBm。该放大器除了可用于对中性氢、脉冲星和羟基进行观测的射电望远镜接收机以外,还可用于电波环境监测系统。     

C波段卫星信号接收机低噪声放大器的设计

介绍了一个应用于C波段卫星信号接收机的低噪声放大器(LNA)的设计过程。为达到低噪声和高增益的目标,该低噪声放大器是利用低噪声的PHEMT晶体管ATF36077(用在第一级)和噪声性能良好的微波单片放大器MGA86576(用在第二级)级联设计完成的。测试结果表明,该低噪声放大器的性能达到了预定指标:在3.8 GH至4.2 GHz工作带宽内噪声系数NF≤0.7 dB,增益≥36 dB,1 dB带宽约350 MHz。     

德令哈13.7m望远镜多波束接收机的运行

德令哈13.7 m望远镜是中国最重要的射电望远镜之一.望远镜自安装超导成像频谱仪以及采用飞行观测模式以来,运行近10 yr.在此期间,望远镜开展并完成大量的天文观测,累积了巨量的天文数据,取得了一系列重要的科研成果.介绍了超导成像频谱仪在天文观测中的运行状态,运行中疑难问题、故障现象及解决方案.详述了超导成像频谱仪各方面性能测试及多年来的性能分析,包含接收机噪声温度及望远镜系统噪声温度、镜像抑制比、接收机稳定性、波束性能等方面.列举了超导成像频谱仪更新发展方面的工作,包含本振功率自动化调整、边带分离型超导混频器预放大电路的更新、控制程序的优化等.总结经验和规律,承前启后,将过去的超导成像频谱仪的维护运行经验应用到之后新一代大规模接收机系统中.     

影响射电天文观测的有害干扰

本文从理论上推导出射电天文接收机的灵敏度公式,由此估算了射电天文各个波段观测的灵敏度和有害干扰电平的极限值。简述了三种类型的有害干扰和减小干扰影响的技术措施。     

德令哈13.7m望远镜接收机抗射频干扰研究

在天文观测中,射频干扰会造成假谱,降低数据的可靠性和有效性.射频干扰消减旨在减少干扰信号对射电天文观测的影响,包含器件方面的技术革新和数据处理领域的方法研究.针对德令哈13.7 m望远镜接收机中频部分引入的射频干扰,通过优化中频器件的抗射频干扰能力,提高了接收机的整体抗射频干扰能力,以主动消除方法来减少射频干扰耦合到接收机内部.分析了接收机干扰的传输路径,提出了器件射频干扰的直接耦合系数和器件射频干扰的系统耦合系数的概念,为定位干扰敏感器件并量化干扰引入比重提供了基础.经过抗射频干扰优化后,接收机抗干扰能力改善30 dB左右,望远镜的天文观测效率提高10%以上.     

基于以太网的射电天文制冷接收机的监视系统

制冷接收机是射电望远镜的核心设备,它是否正常工作直接决定望远镜观测的效果。制冷接收机的制冷温度和杜瓦真空度是反映接收机是否正常工作的最重要、最直接的指标之一。因此实现制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的远程实时监控,及时了解接收机是否正常工作对保证射电望远镜正常运行、提高观测效率有重要意义。为乌鲁木齐天文站25m射电望远镜1.3cm制冷接收机研制的一套基于单片机和以太网的数据采集和数据传输的远程监视系统,实现了制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的远程实时监控。该系统采用了美国ATMEL公司生产的8位单片机AVR ATmega16、Microchip Technology公司生产的ENC28J60以及MAXIM公司生产的MAX7219,实现对射电天文制冷接收机制冷温度和杜瓦真空度的数据采集,并利用以太网传输数据实现了远程实时监控接收机的制冷状态。阐述了以太网数据采集及远程监控电路的设计原理及其实现方法。该系统首次在国内大型射电望远镜上实现了对制冷接收机工作状态的远程实时监控,对于保证乌鲁木齐天文站25m射电望远镜1.3cm波段的观测效果有重要作用。     

边带分离型超导SIS接收机本振耦合噪声研究

超导SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor)接收机因极低的接收机噪声温度成为毫米波和亚毫米波段射电天文观测的首选.本振系统耦合噪声也是接收机噪声的一部分,在多年的天文观测中,发现本振耦合噪声无法完全忽略,对天文观测的灵敏度有一定影响.采用两个不同种类的信号发生器作为本振系统初级信号源,测试了超导SIS接收机的噪声温度,发现信号发生器输出的基底噪声能够耦合到接收机内部,从而增加接收机噪声强度.分析研究了本振系统热噪声和信号发生器基底噪声对接收机噪声的影响.通过在信号发生器输入端加入窄带滤波器滤除其基底噪声,消除了信号发生器基底噪声引入的接收机噪声,降低了接收机的整体噪声,提高了望远镜的灵敏度.     

基于斩波轮技术的K波段接收机噪声校准研究

接收机是射电天文中用于探测微弱射电信号的重要接收设备.接收机的强度校准就是将接收机对射电源的响应转换为天文意义上的流量密度.常规方法就是使用经典的冷热负载法,将接收机自身的强度响应转换为一个等效的温度值,之后再据此对射电源做进一步标定.通过搭建基于斩波轮技术的K波段接收机强度校准平台,使用斩波轮法测试K波段常温接收机的噪声温度,并与传统冷热负载法的测试结果进行比对.结果显示,在晴好天气条件下,斩波轮法在30°、90°仰角下噪声温度的最大测试误差为7.5%和8.4%,可以很好地应用于实际噪声温度测试中;但在5°仰角测试中,由于过低仰角引入了地面噪声,使得斩波轮法的测试误差上升至20%–30%之间而无法使用.希望在此基础上进一步开展K波段天空亮温度的理论计算与实测,从而完善斩波轮技术的应用,使之可以满足在不同气象条件下的噪声校准测试需求.     

云南天文台射电望远镜天线增益的测量

本文简述了应用“射电天文法”对云南天文台射电望远镜天线增益的实测结果和精度分析 .实测结果表明 :云南天文台 3.2cm波段射电望远镜 2m天线增益为 41 .75± 0 .2 3dB .2 1cm波段 1 0m射电望远镜天线增益为 41 .1 2± 0 .1 7dB     

毫米波喇叭天线的多模设计

本文介绍5mm波段多模天线的多模结构,模比计算与综合法,以及多模天线的设计结果。实验表明,该天线的所有边瓣均低达-30dB,等化电几乎到达-20dB。     

S波段双极化低噪声接收机的设计与制作

所述的S波段双极化低噪声接收机是乌鲁木齐天文站根据天文观测研究的需要而设计制作的,接收机采用超外差式结构,设计中对接收机的噪声参数进行了细致地分析和合理地分配,分析选择了符合设计要求的接收机器件,制作中采取有效方法,改善接收机的噪声特性和阻抗匹配,并采用多种测试方法对接收机进行了测试,实测结果与设计分析的指标非常吻合,说明接收机的设计与制作都很成功,接收机噪声温度小于50K,达到国际同类接收机的水平.     

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。     

天马望远镜P波段轴向偏焦研究

天马望远镜是65 m口径全实面地平式射电望远镜,信号经赋型抛物面主反射镜和赋型双曲面副反射镜汇集后在卡塞格伦焦点处馈入低温低噪声接收系统。开展天马射电望远镜轴向偏焦研究,旨在拓展天马望远镜在低频段的接收,创新之处在于利用P波段低频振子天线作为接收机馈源,放置在距离副反射面顶点下方约1/4波长处,研究天马望远镜在P波段开展天文观测的可行性。研究内容包括P波段振子天线设计、馈源轴向偏焦位置优化以及观测性能分析。P波段振子天线作为馈源,天线最大增益45 d B,天线效率64.25%。