上海65 m射电望远镜是一台口径大、工作频率高、频段数量多、具有世界先进水平的大型全可动射电望远镜系统，目前已实现和开展L、S、C、X 4个波段的射电信号观测，后续还会扩展Ku、K、Ka和Q波段的射电信号观测。除天文研究之外，该望远镜已在探月工程二期、三期的VLBI测定轨、定位任务中起到十分重要的作用，在未来我国各项深空探测任务中也会发挥重要作用。
根据望远镜系统的场地设计，其天线接收机与记录终端大约有500 m的传输距离，因此如何将天线接收的各个波段射电信号无失真地传输到记录终端室十分关键。目前，传输系统采用中频传输方式，即将接收机的射频接收信号下变频至合适的中频频段，再通过同轴电缆传输至观测终端。射频同轴电缆铺设和维护较为简单，但传输损耗大，尤其在较高频段损耗十分严重，表 1是几种低损耗同轴电缆在2 GHz处的衰减特性，可见当信号频率为2 GHz时，对500 m的传输距离，其损耗已无法接受[1]。
| 电缆型号 | 单位衰减(dB/100 m) | 500 m衰减/dB |
| Time LMR1700 | 4.9 | 24.5 |
| HSR600 | 12.8 | 64 |
| SYWV-50-12 | 13.9 | 69.5 |
中频信号传输至终端室，还需要分配给DIBAS、CDAS、DBBC2等多个终端和各种监测设备使用，因此将单路信号功分成多路一致性良好的信号十分重要。同时，由于各终端有不同的输入功率要求，在信号分配之前加入衰减控制功能会给使用带来很多便捷。
考虑到DIBAS终端的最高处理带宽为DC~2 GHz，因此中频传输的设计带宽为0.1~2.5 GHz，这对整个传输链路的性能提出了很高的要求，需要设计宽频带、多通道、宽均衡量、低驻波比、一致性好、隔离度高、衰减可控的中频传输分配链路。
1 方案设计 1.1 宽带均衡系统的设计根据要求，自定义技术指标如下：
(1)频段：100~2 500 MHz；(2)通道数：6路；(3)VSWR：≤1.8∶1；(4)增益：0±3 dB；(5)增益平坦度：±1 dB；(6)输入P1 dB点：+15 dBm；(7)通道隔离度：100 dB；(8)接口形式：N型。
如图 1，A点为馈源舱顶层接收机，B点为天线一层电缆中转节点，C点为观测室终端。根据之前测得的A点至B点、B点至C点的电缆传输特性，描绘一组幅频响应曲线如图 2、图 3，统计数据见表 2。
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| 图 1 电缆节点示意图 Fig. 1 Illustration of the cable nodes in the IF-signal transmission/distribution system |
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| 图 2 电缆1~4幅频曲线(A点→B点) Fig. 2 The amplitude-frequency curves of the cable sections (of Cables 1 to 4) that transmit signals from the Node A to the Node B |
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| 图 3 电缆1~4幅频曲线(B点→C点) Fig. 3 The amplitude-frequency curves of the cable sections (of Cables 1 to 4) that transmit signals from the Node B to the Node C |
| 均衡量(typical)/dB | Gain(max)/dB | |
| A→B | 17 | 19 |
| B→C | 26 | 22 |
| Total | 43 | 41 |
由于各根电缆之间有一定差异，只能选取较为典型的曲线进行参考设计。因为总的均衡量比较大，设计采用两级均衡单元，分别置于天线一层伺服机房(B点)和终端室(C点)。为了方便设计和制作，考虑两级均衡单元采用相同的模块，这样单级的均衡量在21 dB左右；而考虑到均衡器、传输线、短电缆有插损，单级的放大增益最好有22 dB以上，且放大器本身的增益平坦度要高。
综合评估性能和研制进度，考虑采用表面贴装器件(Surface Mounted Devices,SMD)进行板级模块化设计。通过器件调研，选定了中电13所的放大器HE397B-2、LC均衡器AES1250/2500-20-S11(定制)[2, 3]；选用Rogers的Ro4350B作为基板设计制作印制板(h=0.9 mm)；设计铝制模块盒体100 mm × 40 mm × 10 mm，使用HFSS的Eigenmode求解类型计算得到一次模谐振频率4.03 GHz，高于2.5 GHz，可以使用，在实际调试过程中，上盖板贴一小块吸波海绵后进一步优化腔体谐振特性，提高电路工作的稳定性[4]，如图 4。
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| 图 4 模块安装示意图 Fig. 4 Pictures showing installation of the modules in an equalizer unit |
图 5、图 6、图 6列出了放大器、LC均衡器上板后的测试结果和整个模块的测试结果。
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| 图 5 放大器HE397B-2测试曲线 Fig. 5 The S11/S22/S21 curves of the HE397B-2 amplifier in the test |
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| 图 6 LC均衡器测试曲线 Fig. 6 The S11/S22/S21 curves of the LC equalizer in the test |
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| 图 7 整个模块测试曲线 Fig. 7 The S11/S22/S21 curves of the equalizer module in the test |
从结果看，放大器带内的增益平坦度相当高，幅度波动仅为0.6 dB；输入/出电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio,VSWR)也特别好；测试工作电压电流为5 V/81.9 mA，和规格书一致。LC均衡器的带内电压驻波比也相当好；均衡度总共19 dB，整条S21曲线基本达到了初始需求。整个模块测试，电压驻波比都在1.74以下，满足要求；均衡曲线和最大增益达到了初始需求。
将调试完的模块进行机箱组装(2U机箱)，设计通道数为6路，因此单个机箱放置6个模块，总电流为480 mA左右。采用AC-DC模块TXL 025-05S提供5V/5A的电源，有足够的功耗余量。前面板设有数字电压、电流指示表和加电指示灯，便于监测设备的工作状态；后面板留有接地保护柱，机箱的示意图如图 8。
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| 图 8 设备机箱示意图 Fig. 8 A picture showing the equipment case for the equalizer module |
根据系统设计要求，自定义技术指标如下：
(1)通道：6路；(2)频率范围：0.1~3 GHz；(3)衰减：0~30 dB(步进1 dB)；(4)衰减控制：本地手动调节+远程控制(串口232)；(5)每路功分：一分八；(6)功分隔离度：≥20 dB(同一路输入)；≥50 dB(不同路输入)；(7)增益：10±1 dB(衰减为0 dB时)；(8)增益平坦度：≤±1.5 dB；(9)输入P1 dB：≥0 dBm；(10)VSWR：≤1.8；(11)接口：SMA。
分析上述指标，该设备的设计难点可总结如下：功分路数多，工作频带宽，隔离度高，结构设计较复杂。
现有功分器货架中，能覆盖0.1 GHz到3 GHz的功分器产品很少。一分八同时又能保证有20 dB隔离度的功分器未能找到。从微波电路设计角度来说，0.1 GHz到1 GHz的微波电路由于频率稍低，同一工艺和设计方法可以较好覆盖，1 GHz到3 GHz的微波电路可用另一种工艺和设计方法覆盖。因此，满足这个工作频带和隔离度要求的一分八功分器，以目前业界的设计水平，应该是很难实现的。即使采用级联功分(如一次一分二加两次一分四)，带宽和隔离度指标还是难以实现，反而使内部连线冗余，结构设计更加复杂。
通过调研，对核心器件一分八功分器进行了优选，选取了IF Engineering的一款功分器PD-8008-S，其主要指标如表 3。因为功分器本身的隔离度还未达到20 dB，考虑在功分器输出端口加放大器，利用放大器的反向隔离，以进一步提高隔离度。图 9是在先进设计系统(Advanced Design System,ADS)中做了一个简易仿真模型：一分二功分隔离设为18 dB，放大器反向隔离设为20 dB，最终端口的隔离度达到了26 dB，满足指标[5]。
| Part number | Frequency/MHz | Insertion loss/dB | Isolation/dB | VSWR[in/out] | Input power/W | Connector type |
| PD-8008-S | 20-3000 | 3.50 | 18 | 1.6∶1/1.5∶1 | 2 | SMA |
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| 图 9 功分隔离度简易仿真 Fig. 9 A simulation of the isolation of a PD-8008-S power splitter |
按照上述分析，每通道一分八之后需有8路放大通道，6通道输入时，总共需要有48个放大通道，另外机箱内还包含功分器、可控衰减模块、控制主板、电源模块等，很难实现合理的结构布局和内部连线。因此考虑采用三个机箱，每个机箱有两个通道，这样使结构设计和后期维护更加简化。
除功分器以外，选择了几款单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)器件做板级电路设计，如选用Mini-Circuits的LEE-49做宽带放大器，Hittite的HMC542ALP4做数控衰减器等；采用航天长峰朝阳的线性电源(AC220-7V/3A)以提高供电性能；采用开发板实现衰减控制信号的初始化、读取、存储和输出；前面板布置有电压/电流显示、衰减控制按键、衰减显示屏、加电指示灯等。设计框图和设备机箱示意图如图 10、图 11。
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| 图 10 分配单元设计框图(单个机箱) Fig. 10 A block diagram for the design of the power distribution unit in a single equipment case |
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| 图 11 设备机箱示意图 Fig. 11 A picture showing an equipment case for a power distribution unit |
S参数测试曲线如图 12，主要测试项目和数据如表 4。
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| 图 12 S11/S22/S21和隔离度测试曲线(典型端口/0 dB衰减) Fig. 12 The curves of S11/S22/S21 (in the left panel) and the curve of the isolation level (in the right panel) of a power distribution unit at its typical output port in the test with the attenuation set to 0dB |
| 指标 | 测试结果 | ||
| 电压/电流 | 7.04 V/1.52 A | ||
| A/B路隔离度 | ≥55 dB | ||
| A路 | B路 | ||
| VSWR | ≤1.51 | ≤1.57 | |
| 隔离度 | ≥33 dB | ≥31 dB | |
| 增益/dB | 0 dB衰减 | 12.44@100 MHz | 12.4@100 MHz |
| 5 dB衰减 | 7.35@100 MHz | 7.3@100 MHz | |
| 10 dB衰减 | 2.25@100 MHz | 2.17@100 MHz | |
| 15 dB衰减 | -2.85@100 MHz | -2.94@100 MHz | |
| 20 dB衰减 | -7.94@100 MHz | -8@100 MHz | |
| 25 dB衰减 | -13@100 MHz | -13.22@100 MHz | |
| 30 dB衰减 | -18.15@100 MHz | -18.4@100 MHz | |
| 增益平坦度(0.1~3 GHz) | ≤±1.5 dB/1 GHz | ≤±1.5 dB/1 GHz | |
从测试曲线和数据看，隔离度和电压驻波比都相当理想，总增益和衰减控制也满足要求，但全频带内的增益平坦度还未达到理想的目标，主要是放大器和数控衰减器在使用中，同一组耦合电路、偏置电路参数难以很好地覆盖从低至高的整个带宽，但每1 GHz单位带宽内可以达到≤±1.5 dB，可以满足系统使用需求。
衰减远控软件采用远程分布式控制技术，多个客户端可以同时远程监视、控制中频分频单元，如图 13。控制界面采用Python语言调用Qt4图形库编写，如图 14。
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| 图 13 软件远程控制框架 Fig. 13 The architecture of the remote-control software of the system |
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| 图 14 控制软件界面 Fig. 14 A screenshot of the interface of the remote-control software of the system |
将上述研制完成的均衡单元、分配单元接入65 m射电望远镜中频传输系统。连接和测试框图如图 15[6]。
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| 图 15 中频传输系统连接和测试示意图 Fig. 15 A block diagram showing the connection and test of the entire system |
将两台宽带均衡单元分别安装于天线一层(前级)、终端室二层(后级)，后级均衡单元输出接两台分配单元(暂使用4个通道)，如图 16、图 17。在馈源舱放置一信号源，接传输系统同轴电缆，发射功率值-20 dBm，在终端室测试分配单元输出后的频谱功率。首先，信号源发射单载波，频率从100 MHz到2 500 MHz，步进为10 MHz，每次记录下频谱仪测得的单载波功率，计算出传输增益，描绘一组幅频曲线。
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| 图 16 均衡单元安装图(天线一层) Fig. 16 A picture showing the installation of the equalizer module in the lowest layer of the antenna |
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| 图 17 均衡单元、分配单元安装图(终端室) Fig. 17 A picture showing the installation of the equalizer unit and power distribution units in the terminal room |
选取通道3(L/C/X左旋)、通道4(L/C/X右旋)进行测试和记录，每个通道选取两个分配输出端口。和图 2、图 3相比，通过幅度均衡之后，传输通道的幅度平坦度有了根本性的改善，如图 18；对于同一输入通道，各个分配输出端口的一致性良好。接着，拿掉信号源，接致冷接收机(X波段)的输出，观察最终输出的中频频谱包络，如图 19，浅色轨迹为X波段中频左旋频谱，深色轨迹为右旋频谱，频谱性能优良。此外，通过面板按键或串口远程控制可以调整通道的衰减量，为数字终端处理左/右旋信号的功率差异提供便捷。
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| 图 18 系统测试幅频曲线 Fig. 18 The amplitude-frequency curves of the system resulting from the test |
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| 图 19 X波段中频输出频谱 Fig. 19 X-band spectra of IF outputs of the system |
中频传输分配系统对于整个射电望远镜系统的正常观测十分重要。通过优化设计宽带均衡单元、分配单元等，为65 m射电望远镜从前端接收机至数字终端提供了良好的信号传输通道。经过系统测试和实际观测任务的验证，该中频传输分配系统性能稳定，很好地满足了系统观测的需求。
| [1] | 邬娜飞. 宽带微波信号光纤传输链路的设计与测试[D]. 上海: 中国科学院上海天文台, 2011. |
| [2] | 巫良君. 1 GHz-2 GHz宽带小功率幅度均衡器[C]//ANSYS 2011中国用户大会优秀论文. 2011. |
| [3] | 张永慧, 胡善祥, 姚波. 微带功率均衡器的设计[J]. 现代电子技术, 2007, 241(2): 38-40+43. Zhang Yonghui, Hu Shanxiang, Yao Bo. Design of microstrip power equalizer[J]. Modern Electronics Technique, 2007, 241(2): 38-40+43. |
| [4] | Rohlfs K, Wilson T L. 射电天文工具[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2008. |
| [5] | 陈艳华, 李朝晖, 夏玮. ADS应用详解——射频电路设计与仿真[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2008. |
| [6] | 市川裕一, 青木胜. 高频电路设计与制作[M]. 北京: 科学出版社, 2006. |