2. 中国科学院射电天文重点实验室, 江苏 南京 210033;
3. 新疆微波技术重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011
2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210033, China;
3. Xinjiang Key Laboratory of Microwave Technology, Urumqi 830011, China
射电天文学是通过接收电磁波研究宇宙天体的一门学科[1]。由于射电源辐射的信号极其微弱，为了提取背景噪声中微弱的射电信号，射电望远镜应运而生，其主要功能是接收并汇聚微弱的电磁波信号至天线焦点。对于二次反射结构的卡塞格林天线[2]，副反射面焦点处的微波接收机主要负责将射电望远镜收集的信号经放大、滤波、变频后输入数字终端并进行处理[3-4]，以满足不同的科学观测需求。信号传输链路如图 1。
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| 图 1 信号传输链路 Fig. 1 Signal transmission link |
中国科学院新疆天文台南山25 m射电望远镜始建于1992年，已配备4台厘米波段高灵敏度制冷接收机系统，分别为L波段、S/X双频、C波段和K波段制冷接收机，主要用于开展脉冲星、活动星系核、分子谱线及甚长基线干涉观测等[5]。其中，最高工作波段为K波段(22~24.2 GHz)，如图 2。改造后，25 m天线面板精度已达到7 mm观测需求，拟开展毫米波观测，现正安装调试Q波段(30~50 GHz) 接收机[6]。
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| 图 2 南山25 m射电望远镜及K波段制冷接收机 Fig. 2 Nanshan 25 m telescope and K-band cryogenic receiver |
南山25 m射电望远镜现有的K波段双极化制冷接收机系统，主要用于单天线观测(分子谱线、活动星系核快速时变观测)和联测(甚长基线干涉观测) 研究。该接收机主要由低温制冷单元、常温微波单元和外围辅助单元等组成。由于毫米波观测中射电信号更容易受到水汽及氧气的吸收作用[7]，结合正在安装调试的Q波段制冷接收机的观测需求，毫米波强度校准必须考虑大气影响。在K波段和Q波段开展精确的强度校准，尤其是在22.3 GHz频点上下以及Q波段的高频段观测，我们更需要实时获取不透明度以修正大气吸收。
K波段常温接收机拟开展常温和高温负载法、斩波轮法的强度校准方法实践，同时开展K波段大气不透明度测量研究[8-9]。结合大气辐射转移方程，我们初步采用俯仰扫描非线性拟合的方式获取对应波段在天顶方向的不透明度，并与现有南山25 m射电望远镜K波段制冷接收机的测试数据进行对比，验证测试方案的可行性，希望以此积累短厘米波段至毫米波大气不透明度测量方法及经验，并最终应用于未来的Q波段毫米波观测。
2 K波段常温接收机设计结合研制需求，该接收机主要用于强度校准及大气不透明度测试，对噪声温度的要求相对低于射电观测设备，故没有对接收机进行制冷设计。K波段常温接收机射频工作带宽为22~24.2 GHz，采取超外差设计，射频信号经放大、滤波、混频后最终输出3.95~6.15 GHz的中频信号。K波段接收机主要由馈源网络、噪声源、低噪声放大器、滤波器、混频器、介质本振、中频放大器等组成。
2.1 馈源网络设计K波段常温接收机最前级为馈源网络，也是射电信号最先进入接收机的部分。作为整个K波段接收机系统的核心部件，馈源网络主要由波纹喇叭、波纹喇叭过渡段、定向耦合器、圆方转换器、极化器组成。波纹喇叭及过渡段(图 3) 材料为电解铜，电铸成型。喇叭相位中心距离喇叭口120 mm，喇叭壁厚为2 mm，喇叭口波纹参数为周期3 mm、槽宽2 mm、齿厚1 mm、槽深3.32 mm，工作频率22~24.2 GHz，圆极化轴比1.0 dB。波纹喇叭口面选用聚脂薄膜(MYLAR) 进行密封，主要用于避免杂物掉入馈源内部以及保持馈源内部干燥。K波段常温接收机选用的密封薄膜如图 3，厚度为0.2 mm，插损为0.05 dB，噪声约为0.35 K。
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| 图 3 波纹喇叭、过渡段和密封薄膜 Fig. 3 Corrugated horn, transition section and polyester film |
定向耦合器主要用于注入标准噪声信号，利用冷热负载法标定该噪声信号用于二次校准。极化器用于将进入波纹喇叭的信号转换为左右旋圆极化信号，输出为标准的WR42接口。波同转换器用于将WR42波导信号转换为同轴信号。上述3个器件实物如图 4。
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| 图 4 定向耦合器、极化器和波同转换器 Fig. 4 Directional coupler, polarizer and W-C converter |
馈源网络末端输出的同轴信号经接收机后级微波链路放大及下变频。微波链路主要由低噪声放大器、射频滤波器、混频器、介质本振、中频滤波器、中频放大器等组成。该部分主要功能是将K波段馈源网络接收的射频信号转换为中频信号。
图 5为微波链路具体设计。首先，低噪声放大器对射频信号进行放大，由于放大后的射频信号强度仍无法满足混频器端的输入功率需求，因此在低噪声放大器之后增加一个射频放大器，以提高增益，并在两个放大器之间增加10 dB衰减器(控制整体增益及减少两个放大器之间的反射)；其次，在射频放大器之后增加一个工作频率为22~24.2 GHz的带通滤波器，滤出需要的射频信号；之后，混频部分选择18.05 GHz介质本振作为本振参考信号，与射频输入端的22~24.2 GHz信号进行混频，经混频器最终输出3.95~6.15 GHz的中频信号；最后，中频信号经3.95~6.15 GHz带通滤波器和中频放大器后输出。
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| 图 5 微波链路具体设计 Fig. 5 Specific design of microwave link |
我们在实验室分别对K波段接收机各个器件以及接收机整体进行了微波测试，主要测试参数包括天线方向图、增益、回波损耗、噪声系数，以及接收机的带通响应和噪声温度等。
3.1 馈源网络测试馈源网络工作频率为22~24.2 GHz，电压驻波比≤1.2∶1，插入损耗为0.2 dB，在22 GHz和23 GHz的天线方向图如图 6。
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| 图 6 馈源天线方向图 Fig. 6 Feed antenna pattern |
从简化系统以及强度校准的需求考虑，望远镜暂时不需要双通道观测，故本文仅搭建极化器后通道1的微波链路，通道2在波同转换器后添加匹配。
3.2.1 低噪声放大器测试微波链路的核心器件低噪声放大器选用伟奇微波的WQLF220-242-30-LNF (增益30 dB，噪声系数3 dB)，在工作频段22~24.2 GHz开展噪声系数、增益以及驻波的测试。噪声系数测试选用安捷伦N8975A噪声系数分析仪，在22.8 GHz的测试结果为2.983 dB，见图 7。
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| 图 7 低噪声放大器噪声系数测试结果 Fig. 7 Test results of LNA noise coefficient |
低噪声放大器增益及驻波测试选用安捷伦E8363C矢量网络分析仪。在23.1 GHz增益的测试结果为28.637 dB，驻波的测试结果为1.562 5，如图 8。
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| 图 8 低噪声放大器增益及驻波测试结果 Fig. 8 Test results of gain and standing wave of LNA |
射频部分22~24.2 GHz带通滤波器选用恒伟微波的HWBPF220242 (插损0.7 dB，驻波1.4)。在23.1 GHz插损的测试结果为0.57 dB，驻波的测试结果为1.3，如图 9。
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| 图 9 射频带通滤波器插损及驻波测试结果 Fig. 9 Test results of insertion loss and standing wave of RF band-pass filter |
混频器选用Marki MM1-0424S (转换插损9 dB，端口隔离度≤-30 dB)。在23.1 GHz插损的测试结果为8 dB，参考信号输入端口-射频信号输入端口隔离度测试结果为-49.9 dB，参考信号输入端口-中频信号输出端口隔离度测试结果为-31.9 dB，射频信号输入端口-中频信号输出端口隔离度测试结果为-34.8 dB，如图 10。
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| 图 10 混频器插损及端口隔离度测试结果 Fig. 10 Mixer insertion loss and port isolation test results |
经混频后选用的中频放大器为MITEQ AFS3-04000800-20-10P-4 (增益30 dB，噪声系数3 dB)。在5.1 GHz增益的测试结果为29.532 dB，回波损耗的测试结果为13.656 dB，如图 11。
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| 图 11 中频放大器增益及回波损耗测试结果 Fig. 11 IF amplifier gain and return loss test results |
由于接收机系统的噪声温度主要取决于接收机前端无源器件的插损及有源器件的噪声和增益，在整个系统链路中插损L为
| $ L=10 \log _{10}\left(\frac{P_{\mathrm{i}}}{P_{\mathrm{o}}}\right), $ | (1) |
其中，Pi为输入功率；Po为输出功率。增益GA为
| $ G_{\mathrm{A}}=\frac{1}{L}=\frac{P_{\mathrm{o}}}{P_{\mathrm{i}}} . $ | (2) |
由此可以计算无源器件的增益为
| $ G_{\mathrm{A}}=\frac{1}{10^{\frac{L}{10}}}. $ | (3) |
级联系统的噪声温度为
| $ {T_{\rm{e}}} = {T_{{{\rm{e}}_1}}} + \frac{{{T_{{{\rm{e}}_2}}}}}{{{G_{{{\rm{A}}_1}}}}} + \frac{{{T_{{{\rm{e}}_2}}}}}{{{G_{{{\rm{A}}_1}}}{G_{{{\rm{A}}_2}}}}} + \cdots . $ | (4) |
总增益为各部分增益的叠加
| $ G = {G_{{{\rm{A}}_1}}} + {G_{{{\rm{A}}_2}}} + {G_{{{\rm{A}}_3}}} + \cdots \left( {{\rm{dB}}} \right). $ | (5) |
根据噪声级联的方式对K波段接收机的噪声温度进行理论计算[10]，计算结果为410.6 K。K波段接收机噪声温度Trec为
| $ T_{\mathrm{rec}}=\frac{T_{\mathrm{amb}}-\frac{V_{\mathrm{amb}}}{V_{\mathrm{cold}}} T_{\mathrm{cold}}}{\frac{V_{\mathrm{amb}}}{V_{\mathrm{cold}}}-1}, $ | (6) |
其中，Tamb和Vamb分别为常温黑体温度及接收机对应的功率输出；Tcold和Vcold分别为低温黑体温度及接收机对应的功率输出。接收机中频输出功率由安捷伦N1914A功率计和E9300A功率探头(DC-18 GHz) 获取。
K波段接收机定向耦合器耦合标准噪声用于二次校准，噪声源选用NOISEWAVE的NW20G25-35W。在低温黑体负载(冷负载) 覆盖接收机馈源口面时开启或者关闭噪声源，再结合冷热负载法，标准噪声Tcal为
| $ T_{\mathrm{cal}}=\frac{V_{\mathrm{cal}}-V_{\mathrm{cold}}}{V_{\mathrm{amb}}-V_{\mathrm{cold}}}\left(T_{\mathrm{amb}}-T_{\mathrm{cold}}\right), $ | (7) |
其中，Vcal为冷负载下开启噪声源时接收机对应的功率输出。之后，使用经典的冷热负载法对K波段接收机进行噪声温度Trec测试及标准噪声Tcal的标定，测试结果见表 1。其中，Trec_average 为402.18 K，Tcal_average 为166.32 K。
| Tamb/K | Vamb/uW | Tcold/K | Vcold/uW | Vcal/uW | Trec/K | Tcal/K |
| 298.79 | 7.879 | 77.3 | 5.398 | 7.328 | 404.6 | 172.3 |
| 298.62 | 7.893 | 76.8 | 5.409 | 7.287 | 406.2 | 167.7 |
| 298.44 | 7.946 | 76.1 | 5.406 | 7.216 | 397.1 | 158.4 |
| 298.13 | 7.863 | 76.6 | 5.388 | 7.308 | 405.7 | 171.9 |
| 298.26 | 7.812 | 76.9 | 5.326 | 7.137 | 397.3 | 161.3 |
结合具备常温黑体斩波功能及0~90 °仰角可调的强度校准机械结构，该K波段常温接收机已可以开展斩波轮法强度校准测试及大气不透明度测量，测试平台如图 12。
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| 图 12 K波段接收机强度校准测试平台 Fig. 12 K-band receiver calibration test platform |
结合研制完成的K波段常温接收机及其俯仰可调机械结构，我们在南山站分别选取仰角90 °，80 °，70 °，60 °，50 °，45 °，40 °，30 °，25 °，20 °，15 °，10 °，5 °进行总功率采集，之后采用非线性拟合方式，初步得到在22~24.2 GHz频段内天顶方向的实时不透明度为0.126 55，拟合曲线如图 13。
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| 图 13 大气不透明度拟合曲线 Fig. 13 Atmospheric opacity fitting curves |
本文结合射电天文微波接收机及强度校准相关需求，设计了一种K波段常温接收机。接收机射频工作频率为22~24.2 GHz，经混频最终输出3.95~6.15 GHz的中频信号，主要用于在K波段开展强度校准方法实践及大气不透明度测量。最终采用冷热负载法测试K波段常温接收机噪声温度为402.2 K (理论计算为410.6 K)，标准噪声源为166.3 K，满足设计需求。接收机最终中频输出频谱动态范围约30 dB，功率幅度约为-50 dBm，结合斩波轮校准机械结构，该K波段接收机已经具备开展强度校准及大气不透明度测试功能(初步测试对应波段天顶方向不透明度约为0.126)，相关工作可以为南山25 m射电望远镜未来Q波段毫米波观测做技术预研。
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