中国科学院新疆天文台南山基地26 m射电望远镜L波段接收机可用于脉冲星观测、分子谱线观测和VLBI国际联测^[1]等多项观测任务。L波段接收机主要是为脉冲星观测研制的，使用线偏振馈源接收电磁波信号，因此馈源输出线偏振信号，但是分子谱线观测和VLBI国际联测需要圆偏振信号，所以L波段接收机需要一个偏振转换装置完成线偏振信号到圆偏振信号的转换，用于接收圆偏振信号。在线偏振信号转换为圆偏振信号的过程中，必须保证右旋圆偏振信号和左旋圆偏振信号相互隔离。

国内许多天文台有将天线接收的线偏振信号转换为圆偏振信号的需求^[2-7]。新疆天文台26 m射电望远镜L波段接收机圆偏振观测模式如图 1，天线接收的电磁波信号在线极化器中被转换为垂直和水平两路线偏振信号，这两路线偏振信号被杜瓦中的低噪声放大器放大后进入90°电桥，通过90°电桥完成线偏振信号到圆偏振信号的转换。这种偏振转换方式较容易实现，不会对接收机的系统温度产生影响。

为了方便圆偏振观测模式和线偏振观测模式的切换，在接收机系统中做了一个可插拔的模块，观测脉冲星时在接收机上插入线偏振模块，观测分子谱线和VLBI联测时插入圆偏振模块。

1 原理

天线接收的任意电磁波都可以被分解为右旋圆偏振电磁波和左旋圆偏振电磁波^[8]。设电磁波信号的角频率为ω，则这两路圆偏振信号可以表示为

${E_{\rm{R}}} = A\left[ {\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right)\overrightarrow {{e_{\rm{x}}}} + \sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right)\overrightarrow {{e_{\rm{y}}}} } \right],$

(1)

${E_{\rm{L}}} = B\left[ {\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)\overrightarrow {{e_{\rm{x}}}} - \sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)\overrightarrow {{e_{\rm{y}}}} } \right].$

(2)

其中，E_R为右旋圆偏振电磁波信号；E_L为左旋圆偏振电磁波信号；A和φ_r分别为右旋圆偏振电磁波信号的振幅和相位；B和φ_l分别为左旋圆偏振电磁波信号的振幅和相位；$\overrightarrow {{e_{\rm{x}}}} $为电磁波的电场在水平方向的分量；$\overrightarrow {{e_{\rm{y}}}} $为电磁波的电场在垂直方向的分量。

电磁波信号被天线接收后进入L波段馈源，在线极化器中被转变为水平线偏振信号和垂直线偏振信号，用电压形式表示为^[5]

${V_{\rm{x}}} = a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) + b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right),$

(3)

${V_{\rm{y}}} = a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) - b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right).$

(4)

其中，V_x为水平线偏振信号；V_y为垂直线偏振信号；a, b分别为右旋圆偏振信号和左旋圆偏振信号在极化器中产生的电压信号的振幅。

由(3)式和(4)式可知，这两路线偏振信号包含左旋圆偏振信号和右旋圆偏振信号，因此必须通过一定的方法将左、右旋圆偏振信号分离才能满足圆偏振观测的需求。分离左、右旋圆偏振信号通过90°电桥完成。图 2是90°电桥的结构原理图^[9]，它的特性是由端口①输入的功率在端口②和端口③之间平分且有90°相位差，端口④无输出(隔离端口)。

90°电桥的结构具有对称性，任何一个端口可以作为输入端口，两个输出端口在输入端口相反的方向上，隔离端口与输入端口在同一侧。90°电桥的S矩阵^[10]：

$\mathit{\boldsymbol{S}} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ {\begin{array}{*{20}{r}} 0&{ - j}&{ - 1}&0\\ { - j}&0&0&{ - 1}\\ { - 1}&0&0&{ - j}\\ 0&{ - 1}&{ - j}&0 \end{array}} \right],$

(5)

由(5)式可知，当接收机接收的两路线偏振信号V_x，V_y分别接入90°电桥的端口①和端口④时，端口②和端口③的输出为

$\begin{array}{l} {V_2} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left( { - {\rm{j}}{V_{\rm{x}}} - {V_{\rm{y}}}} \right)\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ {a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right){{\rm{e}}^{ - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}{\rm{j}}}} + b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right){{\rm{e}}^{ - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}{\rm{j}}}} - a\sin \left( {\omega t + {\varphi _r}} \right) + b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)} \right]\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ {a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}} - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}} \right) + b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1} - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}} \right) - a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) + b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)} \right]\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ {a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) + b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right) - a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) + b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)} \right]\\ = \sqrt 2 b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right), \end{array}$

(6)

$\begin{array}{l} {V_3} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left( { - {V_{\rm{x}}} - {\rm{j}}{V_{\rm{y}}}} \right)\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ { - a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) - b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right) + a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right){{\rm{e}}^{ - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}{\rm{j}}}} - b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right){{\rm{e}}^{ - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}{\rm{j}}}}} \right]\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ { - a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) - b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right) + a\sin \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}} - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}} \right) - b\sin \left( {\omega t + {\varphi _1} - \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}} \right)} \right]\\ = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ { - a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) - b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right) - a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right) + b\cos \left( {\omega t + {\varphi _1}} \right)} \right]\\ = - \sqrt 2 a\cos \left( {\omega t + {\varphi _{\rm{r}}}} \right). \end{array}$

(7)

从(6)式和(7)式可以看到，天线接收的任意电磁波进入90°电桥后，在90°电桥的一个输出端口只包含左旋圆偏振信号，另一个输出端口只包含右旋圆偏振信号，从而实现了左、右旋圆偏振信号的分离。

2 线偏振信号到圆偏振信号转换的实现

为了将线偏振信号转换为圆偏振信号，进入90°电桥的两路线偏振信号必须功率相等、相位相差$ \pm \frac{{\rm{ \mathit{ π} }}}{2}$，90°电桥输出的两路信号才能分别为左旋圆偏振信号和右旋圆偏振信号。

在实际接收机系统中，电磁波信号在线极化器中被分为垂直线偏振和水平线偏振两路信号，这两路线偏振信号被低噪声放大器放大后进入90°电桥。在这个过程中，线极化器、低噪声放大器以及连接它们的同轴电缆会对这两路线偏振信号产生影响，使这两路线偏振信号的功率和相位发生改变，因此在这两路线偏振信号进入90°电桥之前必须对它们的功率和相位进行调整。

为了方便调整信号且不对线偏振观测产生影响，对功率和相位的调整在圆偏振模块中进行。

2.1 功率调整

进入90°电桥的两路线偏振信号的功率相等是形成圆偏振信号的必要条件之一，功率调整的步骤如下：

(1) 将频谱仪的频率设置为需要的频率范围；

(2) 将水平线偏振信号接入频谱仪，并记录功率值；

(3) 将垂直线偏振信号接入频谱仪，通过调整衰减器的值，使垂直线偏振信号的功率等于水平线偏振信号的功率。

2.2 相位调整

相位调整是非常重要的一步，如果两路线偏振信号的相位差不合适，在90°电桥的输出端就不能很好地将左、右旋圆偏振信号分离。相位调整通过调整同轴电缆的长度实现，由于波导至低噪声放大器输入、低噪声放大器输出至杜瓦输出、杜瓦输出至插槽这几部分的电缆长度很难改变，因此通过调整圆偏振模块中插槽至90°电桥这段同轴电缆的长度达到调整相位的目的。

微波在同轴电缆中的波长为$\lambda = c/f\sqrt {{\varepsilon _{\rm{r}}}} $，同轴电缆的填充材料为聚四氟乙烯，ε_r=2.1。因此L波段接收机在中心频率f=1 650 MHz处对应的波长为λ≈125.5 mm，而λ/4≈31.4 mm。

利用矢量网络分析仪可以测出两路线偏振信号从低噪声放大器输入到90°电桥输入之间的相位差^[5]，但是这种方法对正在使用的L波段低温制冷接收机来说比较麻烦。在实际应用中，利用Tektronix MSO70404C混合信号示波器测量两路线偏振信号在中心频率f=1 650 MHz处的相位来调整两路线偏振信号的相位差。

相位调整的步骤如下：

(1) 将水平线偏振信号接入示波器，调整示波器的参数，使水平线偏振信号在示波器中显示的波形为余弦波；

(2) 将垂直线偏振信号接入示波器，调整垂直线偏振信号同轴电缆的长度，可以改变垂直线偏振信号的波形，使其在示波器中显示的波形为正弦波。这时两路线偏振信号在中心频率处正好相差四分之一波长。

图 3为调整后的两路线偏振信号的相位。

3 测试 3.1 圆偏振测试

在实际测试中，用一个右旋圆偏振天线发送右旋圆信号，用频谱仪分别在L波段接收机右旋圆偏振输出端和左旋圆偏振输出端接收信号。

从图 4可以看到，右旋圆偏振信号和左旋圆偏振信号在1.53~1.72 GHz的范围内实现了偏振隔离，这段频率也是VLBI联测需要的频率范围。在1.4~1.5 GHz的范围内偏振隔离没有达到预期目标，经过实际测试后发现，这是由于两个低噪声放大器在不同频率上的相位一致性不好造成的。

3.2 圆偏振观测

2017年5月25日新疆天文台26 m射电望远镜与欧洲VLBI网各台站联合观测，使用L波段接收机圆偏振进行条纹检测实验，实验获得了成功。图 5是新疆天文台与德国Effelsberg 100 m射电望远镜的相关干涉条纹^①。

① http://www.evlbi.org/tog/ftp_fringes/N17L2/scan02/index.html

4 结论

新疆天文台L波段低噪声制冷接收机通过一个圆偏振转换模块，将线偏振信号转换为圆偏振信号，实现了左、右旋圆偏振信号的隔离，可以使用线偏振馈源观测圆偏振信号。