王 凯１，２，３ ， 闫 浩１，２，３∗ ， 马 军１，２，３ ， 陈卯蒸１，２，３ ， 曹 亮１，２，３ ， 宁云炜１，２，３ ， 段雪峰１，２，３ ， 李 健１，２，３ ， 项斌斌１，２ （１． 中国科学院新疆天文台， 新疆 乌鲁木齐 ８３００１１； 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）

摘要： 射电天文是通过接收和处理无线电波研究宇宙天体的一门学科， 微波接收机是射 电天文观测的核心接收设备。 结合中国科学院新疆天文台南山 ２５ ｍ 射电望远镜现有 Ｋ 波段 制冷接收机及未来 Ｑ 波段毫米波观测的需求， 提出一种 Ｋ 波段常温接收机研制方法， 该接 收机射频工作频率 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。 结合斩波轮校准机械结构， 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， 相关工作为南山 ２５ ｍ 射电望远镜未来 Ｑ 波段毫米波观测做技术预研。

关键词： 接收机； 射电天文； Ｋ 波段； 强度校准； 不透明度

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。

１ Ｋ 波段接收机研制需求

１. １ 南山 ２５ ｍ 射电望远镜

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 图 １ 信号传输链路 Ｆｉｇ. １ Ｓｉｇｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｋ 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］ 。

１. ２ Ｋ 波段接收机研制需求

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。

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。

２. ２ 微波链路设计

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。

３ Ｋ 波段常温接收机测试

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。

３. ２ 微波链路测试

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 ＬＦ２２０－２４２－３０－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。

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。

３. ２. ２ 带通滤波器测试

射频部分 ２２～２４. ２ ＧＨｚ 带通滤波器选用ＢＰＦ２２０２４２（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。

３. ２. ３ 混频器测试

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。

３. ２. ４ 中频放大器测试

经混频后选用的中频放大器为  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。

３. ２. ５ 噪声温度测试

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

总增益为各部分增益的叠加 Ｇ ＝ ＧＡ１ ＋ ＧＡ２ ＋ ＧＡ３ ＋ ．．． （ｄＢ） ． （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

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

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。

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。

３. ２. ６ Ｋ 波段大气不透明度测试

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。

４ 结 论

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。

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｋ⁃ｂａｎｄ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｒａｄｉｏ ａｓｔｒｏｎｏｍｙ ｉｓ ａ ｓｕｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｃｏｓｍｉｃ ｏｂｊｅｃｔｓ ｂｙ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｗａｖｅｓ． Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒａｄｉｏ ａｓｔｒｏｎｏｍｙ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ． Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ Ｋ⁃ｂａｎｄ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ Ｑ⁃ｂａｎｄ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ⁃ｗａｖｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｎｓｈａｎ ２５⁃ｍｅｔｅｒ ｒａｄｉｏ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ａｔ ｔｈｅ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ Ｏｂｓｅｒｖａｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｋ⁃ｂａｎｄ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ． Ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｏｒｋｓ ａｔ ２２ － ２４. ２ ＧＨｚ ａｎｄ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｏｕｔｐｕｔｓ ３. ９５－６. １５ ＧＨｚ ＩＦ ｓｉｇｎａｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｉｘｉｎｇ． Ｉｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｏｐａｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｋ⁃ｂａｎｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｋ⁃ｂａｎｄ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ４０２. ２ Ｋ （ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ４１０. ６ Ｋ）， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ １６６. ３ Ｋ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｈｏｐｐｅｒ ｗｈｅｅｌ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ， ｔｈｅ Ｋ⁃ｂａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｏｐａｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ａｎｄ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｃａｎ ｐｒｅ⁃ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｑ⁃ｂａｎｄ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ⁃ｗａｖｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎａｎｓｈａｎ ２５ ｍ ｒａｄｉｏ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． 

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｅｃｅｉｖｅｒ； ｒａｄｉｏ ａｓｔｒｏｎｏｍｙ； Ｋ⁃ｂａｎｄ； ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ； ｏｐａｃｉｔｙ