耿立紅，顏毅華，宋慶輝，魏利輝，陳志軍，

王　威1,2，劉　飛1,2，譚程明1,2

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京　100012；2. 中國科學(xué)院太陽物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100012； 3. 中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北 石家莊　050081)

?

明安圖射電頻譜日像儀高頻陣模擬接收機(jī)研制*

耿立紅1,2，顏毅華1,2，宋慶輝3，魏利輝3，陳志軍1,2，

王威1,2，劉飛1,2，譚程明1,2

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京100012；2. 中國科學(xué)院太陽物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012； 3. 中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北 石家莊050081)

摘要：介紹了明安圖射電頻譜日像儀高頻陣模擬接收機(jī)總體設(shè)計(jì)方案和研制情況，詳細(xì)說明所采用的光傳輸、溫控、濾波、LTCC等技術(shù)以及針對射電日像儀陣列特別采取的可靠性保證措施。經(jīng)過全面的系統(tǒng)指標(biāo)測試和幅、相穩(wěn)定性溫度環(huán)境測試，結(jié)果表明模擬接收機(jī)系統(tǒng)的性能、功能和穩(wěn)定性等指標(biāo)滿足總系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：射電日像儀；模擬接收機(jī)；陣列；光傳輸；穩(wěn)定性

專用于太陽成像觀測的高分辨厘米-分米波射電日像儀(Chinese Spectral Radioheliograph, CSRH)，目前已于國家天文臺明安圖觀測站建設(shè)完成，并更名為明安圖射電頻譜日像儀(Mingantu Ultrawide SpEctral Radioheliograph, MUSER)。MUSER由低頻陣MUSER-I(0.4～2.0 GHz， 40個(gè)4.5 m天線)和高頻陣MUSER-II(2～15 GHz， 60個(gè)2.0 m天線)兩個(gè)綜合孔徑陣列組成，天線陣列分布在方圓10 km2的草原上。由于陣列基線較長，有較高的空間分辨率，有高速數(shù)據(jù)采集和處理能力，因而有很高的時(shí)間分辨率和頻譜分辨率。MUSER的研制與建設(shè)一直受到國內(nèi)外太陽物理領(lǐng)域的特別關(guān)注[1]。超寬頻帶下陣列接收時(shí)的高幅、一致性和穩(wěn)定性要求，對獲得高質(zhì)量太陽射電頻譜圖像至關(guān)重要，是MUSER-II模擬接收機(jī)研制中的一大挑戰(zhàn)。

1MUSER-II模擬接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)

MUSER-II模擬接收機(jī)采用全頻帶射頻接收和光傳輸，將在2～15 GHz頻段上接收的太陽射電輻射信號進(jìn)行低噪聲放大、濾波和左/右旋極化選通，通過3.4 km等長光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心觀測室室內(nèi)接收單元，變頻至中頻，中頻帶寬為400 MHz或80 MHz，輸出至后端數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、數(shù)字相關(guān)等處理。

MUSER-II模擬接收機(jī)極化和頻率的切換及通道衰減實(shí)時(shí)可控，工作狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋。由靈活的頻率通道編碼組合和快速的切換建立穩(wěn)定時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)靈活的觀測模式，滿足某些頻率通道的單或雙圓極化更高時(shí)間分辨率觀測，以及避開干擾較大的頻帶等要求。主要技術(shù)指標(biāo)如表1，400 MHz帶寬常規(guī)觀測模式如圖1。

2MUSER-II模擬接收機(jī)組成

文[2]討論了低頻模擬接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案，文[3]探討了厘米波頻譜日像儀模擬接收機(jī)方案，并指出光纖傳輸鏈路是接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍受限的瓶頸。實(shí)際的MUSER-II模擬接收機(jī)組成如圖2，包括60套射頻接收通道(室外接收單元含備份共64套；室內(nèi)按64個(gè)通道設(shè)計(jì)，其中備用通道4個(gè))。組成包括室外接收單元、光纖傳輸、室內(nèi)接收單元-信道、本振單元、校準(zhǔn)源、功分、開關(guān)、溫度控制、電源以及電纜和光纜組件等部分。

表1　MUSER-II模擬接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

圖1　MUSER-II模擬接收機(jī)400 MHz帶寬常規(guī)觀測模式

圖2　MUSER-II模擬接收機(jī)單個(gè)通道的組成框圖

3MUSER-II模擬接收機(jī)方案和研制

3.1方案設(shè)計(jì)

文[4]指出，未來的射電天文觀測儀器將是分布在廣大區(qū)域的傳感器陣，級聯(lián)的相位陣列單元。這樣的陣列要提供有意義的輸出(圖像)，精確的校準(zhǔn)是關(guān)鍵。校準(zhǔn)必須解決未知天線增益和相位以及未知的大氣和電離層擾動(dòng)問題。對于MUSE-II模擬接收機(jī)，即要保證120個(gè)通道間(對左、右旋雙圓極化)幅度、相位一致的穩(wěn)定性。由于陣列單元數(shù)多，光纖傳輸距離長，超寬頻帶，當(dāng)?shù)貧夂虻仍?，以及體積和重量的限制，模擬接收機(jī)設(shè)計(jì)在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，需兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和可維修性。

3.2信號鏈路

3.2.1輸入信號范圍

天線接收的太陽信號譜密度[5]P0=ηΔfAS/2，其中A為天線幾何面積；η為天線效率；S為太陽流量密度。根據(jù)1996～2010年太陽輻射流量密度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)(圖3)，寧靜太陽輻射流量密度在2 GHz(約100s.f.u.)時(shí)比15 GHz約低10 dB；相對于寧靜太陽，最大太陽流量密度增加約20 dB(15 GHz)～30 dB(2 GHz)。估算2 m天線輸出功率(取η=0.4， Δf=13 GHz)：

寧靜時(shí)：-71 dBm(2 GHz)～-61 dBm(15 GHz)， 中間值約-66 dBm

最大時(shí)：-41 dBm(2 GHz)～-41 dBm(15 GHz)

取Nf≈5 dB為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；K=1.38×10-23J/K；T=290 K；S/N=1；Δf=13 GHz，則接收機(jī)輸入端的最小可檢測信號功率：Pin-min=KTNfΔf(S/N)min≈-68 dBm。

圖3　太陽輻射流量密度統(tǒng)計(jì)圖

3.2.2光傳輸

與巨型米波射電望遠(yuǎn)鏡(Giant Metrewave Radio Telescope, GMRT)利用光纖傳輸中頻信號不同，MUSER-II采用單模低損光纜傳輸2～15 GHz射頻信號。光纜埋入地下2.5 m，避開凍土并保持溫度穩(wěn)定，避免額外干擾。室內(nèi)外設(shè)備間的控制和狀態(tài)信號也采用光纜傳輸，由于信號頻率低，可不考慮光纜溫度效應(yīng)。但用光纜傳輸射頻信號時(shí)(波長15 cm～2 cm)，需考慮光纜長度差隨溫度的變化。文[6-7]特別討論對等長光纖的需求以及光纖長度性能測量的方法。

采用光時(shí)域反射計(jì)對MUSER-II光纜長度進(jìn)行多次測量(2012年9月、 2013年4月和11月)。以8芯光纜用于射頻傳輸?shù)?#光纖為例，60個(gè)光纜通道(對應(yīng)60面天線)最大長度差平均約3.8 m，與測量誤差相當(dāng)。光纜插損(1 310 nm)≤1.23 dB，通過尾纖補(bǔ)償，可使陣列通道間光纜鏈路相對總長度差保持在10 m以內(nèi)，預(yù)計(jì)環(huán)境溫度變化小于2 ℃時(shí)，由光纜長度變化(2 ppm/m/℃)引起的相對相位變化在15 GHz時(shí)小于1°。實(shí)際上明安圖觀測站多年地下2.0 m處地溫監(jiān)測結(jié)果顯示，溫度變化～0.1 ℃/日。MUSER-I系統(tǒng)通過每日觀測衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)延遲補(bǔ)償精度為1 ns[8]，相位補(bǔ)償精度為1°，MUSER-II系統(tǒng)將采用類似方法，結(jié)果待驗(yàn)證。圖4給出了MUSER-II寬帶射頻信號光傳輸鏈路示意圖。

采用的Miteq光端機(jī)內(nèi)置兩級放大器和監(jiān)控板，體積較小，瞬時(shí)線性動(dòng)態(tài)范圍≥32 dB，1 dB輸入壓縮點(diǎn)≥-15 dBm，最大承受輸入功率≤10 dBm。光發(fā)射機(jī)與室外單元的前端組件和光接收機(jī)均采取恒溫措施。

圖4　MUSER-II寬帶射頻信號光傳輸鏈路示意圖

3.2.3鏈路主要節(jié)點(diǎn)

采用數(shù)控衰減器補(bǔ)償動(dòng)態(tài)范圍限制并滿足光端機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入要求，室外前端輸出放大器后接衰減器以保護(hù)昂貴的光端機(jī)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器峰峰值500 mVp-p，對應(yīng)輸入功率為-2 dBm。觀測太陽爆發(fā)現(xiàn)象時(shí)，需設(shè)置模擬接收機(jī)室內(nèi)外數(shù)控衰減器以匹配光端機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。表2為MUSER-II模擬接收機(jī)鏈路主要節(jié)點(diǎn)功率。

表2　MUSER-II模擬接收機(jī)鏈路主要節(jié)點(diǎn)功率

3.3幅、相穩(wěn)定性

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，MUSER-II模擬接收機(jī)在全頻帶內(nèi)的相位誤差ΔΦ≤4°，幅度誤差ΔA≤±5%，意味著幅度變化不能超過± 0.2 dB(RMS)。系統(tǒng)穩(wěn)定性主要影響因素是其放大器隨環(huán)境溫度產(chǎn)生的變化。3.3.1恒溫

恒溫針對溫度敏感器件如室外前端低噪放、光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)、晶振進(jìn)行。室外前端(除電源和控制部件)置于恒溫箱中，室內(nèi)單元光接收機(jī)放置在恒溫盒中，由中心控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。溫度變化1°C時(shí)，室外單元放大器、電纜和光端機(jī)的相位變化共約1.28°(對4級放大器)+0.02°(設(shè)電纜長15 cm， 15 GHz時(shí))+0.5°(光端機(jī))≈1.8°。室外恒溫箱設(shè)計(jì)控制精度為± 0.5 ℃，溫控范圍為10～40 ℃。MUSER-II室外前端控溫示意圖、室內(nèi)單元信道機(jī)箱上恒溫光接收機(jī)見圖5。

3.3.2熱設(shè)計(jì)

接收機(jī)每個(gè)信道機(jī)箱包含10個(gè)插板式信道，完成濾波、放大和下變頻至中頻功能。熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮在工作溫度范圍內(nèi)，分機(jī)內(nèi)10個(gè)信道間最大溫差的變化范圍保持穩(wěn)定。用icepeak軟件仿真10 ℃和40 ℃時(shí)室內(nèi)機(jī)箱的熱效應(yīng)，結(jié)果表明，環(huán)境溫度10 ℃時(shí)，10個(gè)通道溫度范圍14.16 ℃～10.68 ℃；40 ℃時(shí)，溫度范圍64.14 ℃～60.81 ℃。通道間最大溫差分別為3.48 ℃和3.33 ℃，可以保證非常好的通道間相對相位的穩(wěn)定性。

圖5　MUSER-II室外前端控溫示意圖、室內(nèi)單元信道機(jī)箱上恒溫光接收機(jī)

3.3.3高穩(wěn)定時(shí)鐘和本振

圖6是MUSER-II模擬接收機(jī)本振及分路組成。采用Symmetricom公司10 MHz型號SA.33銣鐘源鎖定100 MHz恒溫晶振作為本振及校準(zhǔn)源的參考源。銣鐘頻率準(zhǔn)確度<9.85E-11；短期頻率穩(wěn)定度<1.8E-11(1 s)， <1.02E-11(10 s)， <3.89E-12(100 s)；相位噪聲≤-93 dBc/Hz@10 Hz，≤-120 dBc/Hz@100 Hz，≤-137 dBc/Hz@1 kHz。3個(gè)本振相位噪聲均滿足-90 dBc/Hz@10 kHz，-95 dBc/Hz@100 kHz；換頻時(shí)間<50 μs。主、備兩套本振分機(jī)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.3.4LTCC技術(shù)應(yīng)用

低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Cer-amics, LTCC)技術(shù)以多層布線三維立體結(jié)構(gòu)為特點(diǎn)，是多芯片組件的一種，也是目前國際上研究較為熱門的小型化實(shí)現(xiàn)形式。

圖6　本振及分路分機(jī)組成框圖

低溫共燒陶瓷技術(shù)應(yīng)用于MUSER-II模擬接收機(jī)，在高集成度與小型化、高性能、輕量化、溫度特性、批量生產(chǎn)等方面有顯著優(yōu)勢，且便于與傳統(tǒng)印制電路板互聯(lián)。利用中國電子科技集團(tuán)第54所低溫共燒陶瓷生產(chǎn)線完成前端開關(guān)放大組件、信道部分濾波器、變頻器等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)和組裝測試。

研制采取的技術(shù)措施有：(1)基于X形和十字形通孔和接地在空間各層交替均勻分布的高效接地設(shè)計(jì)；(2)可伐金屬圍框替代常規(guī)屏蔽盒的密封裝配設(shè)計(jì)；(3)同層互連過渡設(shè)計(jì)；(4)采用模擬同軸方式的層間互聯(lián)設(shè)計(jì)。解決了基板不平整、導(dǎo)體及過渡損耗、有效散熱、疊片誤差等帶來的接地、寄生分量以及電磁兼容等諸多問題。

3.3.5超寬帶幅度均衡

通帶內(nèi)光端機(jī)增益平坦度約為± 1.5 dB，前端組件約為± 1 dB，信道約為± 1 dB。必須采用微波寬帶幅度均衡技術(shù)，才能滿足增益平坦度≤± 2 dB的要求。用HFSS進(jìn)行仿真，基于陶瓷基片和電阻濺射工藝的均衡器設(shè)計(jì)采用多個(gè)陷波單元級聯(lián)的方法。選擇適當(dāng)?shù)闹C振頻率、Q值以及串聯(lián)諧振陷波單元級聯(lián)數(shù)目，就可逼近需要的任意均衡響應(yīng)，均衡器輸入輸出端引入匹配電路。陷波單元及其級聯(lián)后頻率響應(yīng)S21分別為

3.4寬帶抗干擾設(shè)計(jì)

3.4.1雙中頻帶寬輸出

兼顧了工程、天文和抗干擾等多項(xiàng)需求，MUSER-II模擬接收機(jī)設(shè)計(jì)了雙中頻帶寬輸出功能。中頻帶寬分別為400 MHz和80 MHz，對應(yīng)頻率通道數(shù)33和163，中心頻率均為250 MHz。

3.4.2前級放大器

前級放大器選用低噪聲砷化鎵管芯，前端加有限幅器，抗燒毀電平為1W，對于調(diào)頻廣播、電視及全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communication, GSM)等不在收帶頻段內(nèi)的干擾信號，放大器增益較低，正常情況下不會(huì)飽和，信道預(yù)選濾波器同時(shí)可對其進(jìn)行50 dB以上抑制。前端組件輸出端加有固定衰減器，最大飽和輸出電平不超過+10 dBm，防止燒毀昂貴的光發(fā)射機(jī)。

3.4.3三級變頻和五段亞倍頻程預(yù)選濾波器組

MUSER-II模擬接收機(jī)信道鏈路如圖7。通過3次混頻實(shí)現(xiàn)從2～15 GHz到250 MHz中頻的變頻。本振1、2、3分別為8.5～18.5 GHz、4.7/8.7 GHz和1.45 GHz。一中頻采用3.5 GHz與7.5 GHz雙中頻(分別對應(yīng)中心頻率5.0～14.8 GHz和2.2～4.6 GHz輸入信號)方案實(shí)現(xiàn)中頻抑制。五段亞倍頻程信道輸入預(yù)選濾波器組，可濾除干擾信號，對中頻和鏡頻頻率進(jìn)行抑制，增強(qiáng)系統(tǒng)抗飽和與抗干擾能力。預(yù)選濾波器采用帶通濾波器與低通濾波器結(jié)合的方式，為提高加工精度，減小體積，采用鍍金工藝在陶瓷基片上設(shè)計(jì)制作。鏡頻和中頻抑制分別優(yōu)于50 dB和40 dB。中頻輸出端加有橢圓函數(shù)帶通濾波器，矩形系數(shù)小于1.5∶1，可濾除帶外噪聲，并防止采樣噪聲混疊。手機(jī)3G/4G信號按不同運(yùn)營商和工作方式，頻率范圍1 755～2 655 MHz，與MUSER-II頻率范圍有交叉，同樣可用預(yù)選濾波組增加系統(tǒng)的抗飽和能力。

圖7　MUSER-II 模擬接收機(jī)信道鏈路原理框圖

3.4.4時(shí)序和接口設(shè)計(jì)

如圖8，由監(jiān)控室外單元通過RS422差分電平實(shí)時(shí)同步控制模擬接收機(jī)室外單元左右旋圓極化通道切換微波開關(guān)，進(jìn)行溫控和數(shù)控衰減器的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，狀態(tài)包括溫度、光發(fā)射功率、電源以及微波開關(guān)等。模擬接收機(jī)頻率通道選擇由監(jiān)控室內(nèi)單元通過RS422接口進(jìn)行實(shí)時(shí)同步控制切換(電平)；切換規(guī)律和預(yù)選濾波器、增益、本振等參數(shù)由室內(nèi)監(jiān)控單元通過網(wǎng)口預(yù)先置入，減小了控制信號傳輸數(shù)據(jù)率；狀態(tài)監(jiān)測也通過網(wǎng)口進(jìn)行。

3.5可靠性設(shè)計(jì)

3.5.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖9，對MUSER-II模擬接收機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于批量化生產(chǎn)、性能一致、調(diào)試、測試、安裝和集成，也利于維護(hù)維修互換和故障隔離。通過不同的地址配置標(biāo)識不同模塊。但一旦在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或裝配等過程出現(xiàn)錯(cuò)誤，即是批量錯(cuò)誤；采用可編程器件實(shí)現(xiàn)部分功能，以降低出錯(cuò)代價(jià)。模塊化設(shè)計(jì)分為：(a)分機(jī)級(包括備份， 7個(gè)信道機(jī)箱； 64套室外前端)，均為標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱；(b)插板級(包括備份， 64個(gè)信道)，對通道間隔離度，考慮中射頻電纜、信道、電源及控制、本振分路的隔離、屏蔽和濾波等措施；(c)部件級。

圖8　MUSER-II各系統(tǒng)間信號流

圖9　MUSER-II模擬接收機(jī)信道分機(jī)模塊化設(shè)計(jì)框圖

3.5.2自校設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)源提供了室內(nèi)信道監(jiān)測和自檢信號，其參考源由本振機(jī)箱提供，同樣采用10 MHz銣鐘源鎖定100 MHz恒溫晶振。輸出射頻頻率范圍2～15 GHz，瞬時(shí)帶寬400 MHz，可同時(shí)產(chǎn)生64路單音信號，平坦度優(yōu)于2.5 dB。通過網(wǎng)口設(shè)置校準(zhǔn)源輸出頻率通道和信號路數(shù)及切換機(jī)箱電源。當(dāng)接收外界信號時(shí)切斷校準(zhǔn)源機(jī)箱電源，可避免校準(zhǔn)信號泄漏造成干擾。校準(zhǔn)分路器與信道接頭一一對應(yīng)，電纜末端有調(diào)相接頭，保證電纜等相位。另利用本振/校準(zhǔn)信號分路機(jī)箱上的校準(zhǔn)源輸入口，輸入外部校準(zhǔn)信號，增加了信道測試和校準(zhǔn)的靈活性。

3.5.3質(zhì)量控制

對MUSER-II模擬接收機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)全過程采取質(zhì)量控制措施。

設(shè)計(jì)：利用仿真設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電路性能定量分析；

防雷：所有室外前端電源輸入配備防浪涌濾波器；前級LNA前增加限幅器；

器件：選用優(yōu)質(zhì)器件和設(shè)備或成熟技術(shù)，所有器件均經(jīng)篩選；使用核心部件的平均壽命在15年以上；

材料：盡量避免使用溫度敏感材料；

環(huán)境：所有部件、整機(jī)均經(jīng)過高低溫環(huán)境試驗(yàn)；

密封：室外恒溫箱采用防水結(jié)構(gòu)，對鎂鋁合金箱體材料采取特殊防護(hù)措施，使用密封接頭接插件；考慮電磁兼容性；

工藝：采用低溫共燒陶瓷技術(shù)進(jìn)行前端組件等設(shè)計(jì)加工；整批加工的產(chǎn)品使用相同的工藝流程；

溫控：采取高精度溫控措施，避免環(huán)境溫度變化引起器件性能參數(shù)的漂移，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降；

備份：晶振、本振源、電源各自獨(dú)立于機(jī)箱，雙機(jī)冷備份，室外前端備份2套，室內(nèi)信道備份4套；

監(jiān)控：關(guān)鍵零部件具備自檢并將狀態(tài)上報(bào)上級監(jiān)控的功能，便于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、快速故障定位和隔離；

測試：包括器件篩選、加工中階段檢驗(yàn)、部件分機(jī)自檢、出所、現(xiàn)場、系統(tǒng)集成和運(yùn)行測試；

文件和記錄：保持完備的產(chǎn)品研制過程文件和記錄，便于問題追溯。

4測試

測試結(jié)果表明，MUSER-II模擬接收機(jī)性能穩(wěn)定可靠，噪聲系數(shù)、增益平坦度、鏡頻抑制、通道隔離度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求[9]，恒溫箱控溫精度在± 0.1 ℃內(nèi)。

2013年9月26日～11月3日期間，由于測試條件的限制和系統(tǒng)復(fù)雜，分批在恒溫試驗(yàn)箱中對MUSER-II模擬接收機(jī)通道幅、相穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。測試時(shí)，恒溫試驗(yàn)箱溫度從10 ℃～35 ℃變化，步進(jìn)5 ℃，每次變溫保持120 min。每個(gè)信道機(jī)箱中選擇8個(gè)信道分為4組，測此4組通道的相位差在2 GHz和15 GHz分別隨溫度的變化，另選一個(gè)通道測量其幅度隨溫度變化。測試過程中頻繁更換電纜，因此與實(shí)際情況存在一定誤差。

在較寬的溫度范圍內(nèi)，幅度穩(wěn)定性測試的結(jié)果滿足≤± 5%(RMS)。溫度變化不超過10 ℃時(shí)，相位穩(wěn)定性滿足≤4°(RMS)，見圖10中所示MUSER-II模擬接收機(jī)幅、相穩(wěn)定性測量結(jié)果。設(shè)備機(jī)房溫度控制在25 ℃以下，溫度變化控制在7～8 ℃以內(nèi)時(shí)較為合適。

圖11為在明安圖觀測站用頻譜儀連接MUSER-II模擬接收機(jī)HB8通道400 MHz中頻輸出時(shí)，HB8天線對準(zhǔn)亞洲7號衛(wèi)星，接收的C波段、Ku波段衛(wèi)星信號和HB8天線在相同波段掃過太陽的情況。圖12為MUSER-II模擬接收機(jī)實(shí)物圖。

圖10　MUSER-II模擬接收機(jī)幅、相位穩(wěn)定性測量：2 GHz和15 GHz時(shí)相位差隨溫度變化情況

5結(jié)論

MUSER-II模擬接收機(jī)的研制是系統(tǒng)性、綜合性的，得力于從方案、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配、工藝、測試和管理等全方位的工作保障。經(jīng)過在明安圖觀測站現(xiàn)場一年多的通電運(yùn)行，MUSER-II模擬接收機(jī)性能和功能基本穩(wěn)定，過程中出現(xiàn)的子系統(tǒng)間和子系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性、接口、嵌入式模塊時(shí)序上的缺陷等問題陸續(xù)得到解決，為適應(yīng)沙塵環(huán)境，計(jì)劃對射頻光傳輸鏈路光接口進(jìn)一步采取密封或熔接措施。對MUSER-II全系統(tǒng)性能指標(biāo)的測試和試觀測工作正在進(jìn)行。

圖11　在12.4～12.8 GHz(左)和4.0～4.4 GHz(右)頻段上HB8通道接收亞洲7號衛(wèi)星信號(上)和掃過太陽(下)的情況

圖12　MUSER-II模擬接收機(jī)實(shí)物圖

致謝：中國科學(xué)院國家天文臺傅其駿、劉玉英、金聲震、施滸立、金乘進(jìn)、張洪波、張喜鎮(zhèn)、孫才紅、邱育海、趙蒙、李久利、玄為佳，清華大學(xué)張國敬，中國科學(xué)院空間中心徐志衡、王栓榮，中國電子科技集團(tuán)第13所張?jiān)匠?，中國電子科技集團(tuán)第54所耿京朝、牛傳峰，參與方案討論，并提出寶貴意見和建議；中國電子科技集團(tuán)第54所郭文剛、趙玉博、楊新功、岳超、王錫志、梁振恒等，國家天文臺陳林杰、劉東浩、蘇倉、姜云英、杜靜、李沙等，參與子系統(tǒng)研制和測試、調(diào)試工作；中科院電子所李巨濤、曲春輝、李士東，積極配合子系統(tǒng)調(diào)試工作；北京英拓公司韓鵬，進(jìn)行光纖傳輸測試；特此一并表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏毅華, 張堅(jiān), 陳志軍, 等. 關(guān)于太陽厘米-分米波段頻譜日像儀研究進(jìn)展[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2006, 3(2): 91-98.

Yan Yihua, Zhang Jian, Chen Zhijun, et al. Progress on Chinese solar radioheliograph in cm-dm wavebands[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(2): 91-98.

[2]姬國樞, 竇玉江, 王威, 等. CSRH模擬接收機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2006, 3(2): 135-142.

Ji Guoshu, Dou Yujiang, Wang Wei, et al. RF receiver design for CSRH[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(2): 135-142.

[3]吳立豐, 張?jiān)匠? 劉榮軍, 等. 厘米波頻譜日像儀模擬接收機(jī)方案探討[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2011, 8(4): 338-342.

Wu Lifeng, Zhang Yuecheng, Liu Rongjun, et al. A Study of a Scheme of Analog Receiver for a Centimeter Band Radioheliograph[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2011, 8(4): 338-342.

[4]Wijnholds S J, van der Tol S, Nijboer R, et al. Calibration challenges for future radio telescopes[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2010, 27(1): 30-42.

[5]Mclean D J, Labrum N R. Solar radiophysics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1985.

[6]張?jiān)匠? 劉榮軍, 馬玉培, 等. CSRH光傳輸線的長度及相位測量[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2011, 8(4): 334-337.

Zhang Yuecheng, Liu Rongjun, Ma Yepei, et al., A Measurement Method of Lengths and Phases of Transmission Optical Fibers for the CSRH[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2011, 8(4): 334-337.

[7]王威, 陳志軍, 姬國樞, 等. CSRH光纖傳輸方案探討[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2006, 3(2): 143-147.

Wang Wei, Chen Zhijun, Ji Guoshu, et al. Optical Fiber Transmission Analysis for CSRH[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(2): 143-147.

[8]劉東浩, 顏毅華, 趙岸, 等. 新一代厘米-分米波射電日像儀延時(shí)校準(zhǔn)方法研究[J]. 電子學(xué)報(bào), 2013(3): 570-574.Liu Donghao, Yan Yihua, Zhao An, et al. A delay calibration for Chinese spectral radioheliograph in the decimetric to centimetric wave range[J]. Acta Electronica Sinica, 2013(3): 570-574.

[9]Geng Lihong, Yan Yihua, Song Qinghui, et al. CSRH-II analog receiver system stability designing and testing[C]// General Assembly and Scientific Symposium. 2014: 1-4.

MUSER-II Analog Receiver System Designing and Developing

Geng Lihong1,2, Yan Yihua1,2, Song Qinghui3, Wei Lihui3, Chen Zhijun1,2,Wang Wei1,2, Liu Fei1,2, Tan Chengming1,2

(1. National Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: genglh@nao.cas.cn;2. Key Laboratory of Solar Activity, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China;3. The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

Abstract:Analog receiver system is one of the key parts of the Chinese Spectral Radioheliograph (MUSER). MUSER-II analog receiver is used to amplify, transmit and convert the solar emission signal in frequency range of 2-15GHz. The design and manufacture of MUSER-II analog receiver are introduced in this paper. The technologies of optical transmission, thermal control, filter bank and LTCC used in the receiver are described in detail. The quality guarantee measures are also included. Test results convince that the performances, functions and stability of MUSER-II analog receiver fulfill the total system requirements.

Key words:Radioheliograph; Analog receiver; Array; Optical transmission; Stability

基金項(xiàng)目：國家重大科研裝備研制項(xiàng)目 (ZDYZ2009-3) 資助.

收稿日期：2015-05-01；

修訂日期：2015-05-06

作者簡介：耿立紅，女，高級工程師. 研究方向：射電天文技術(shù)與方法. Email: genglh@nao.cas.cn

中圖分類號：P62.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)02-0160-10

CN 53-1189/PISSN 1672-7673