65米射電望遠(yuǎn)鏡中頻傳輸分配系統(tǒng)的研制*

袁 瑾，茍 偉，趙融冰，李 斌

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

65米射電望遠(yuǎn)鏡中頻傳輸分配系統(tǒng)的研制*

袁 瑾，茍 偉，趙融冰，李 斌

(中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030)

設(shè)計和實現(xiàn)了65 m射電望遠(yuǎn)鏡中頻傳輸分配系統(tǒng)，頻率范圍0.1～2.5 GHz，通道數(shù)6路，0～30 dB衰減本地和遠(yuǎn)程可調(diào)，鏈路增益、端口駐波比、分配輸出隔離度、通道一致性等指標(biāo)滿足要求，給數(shù)字終端提供了良好的中頻輸入信號。經(jīng)過系統(tǒng)驗證，該中頻傳輸分配系統(tǒng)整體性能優(yōu)良，可以很好地滿足射電觀測的需求。

射電望遠(yuǎn)鏡；中頻傳輸鏈路；寬帶均衡；中頻分配；衰減控制

上海65 m射電望遠(yuǎn)鏡是一臺口徑大、工作頻率高、頻段數(shù)量多、具有世界先進(jìn)水平的大型全可動射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，目前已實現(xiàn)和開展L、S、C、X 4個波段的射電信號觀測，后續(xù)還會擴(kuò)展Ku、K、Ka和Q波段的射電信號觀測。除天文研究之外，該望遠(yuǎn)鏡已在探月工程二期、三期的VLBI測定軌、定位任務(wù)中起到十分重要的作用，在未來我國各項深空探測任務(wù)中也會發(fā)揮重要作用。

根據(jù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的場地設(shè)計，其天線接收機(jī)與記錄終端大約有500 m的傳輸距離，因此如何將天線接收的各個波段射電信號無失真地傳輸?shù)接涗浗K端室十分關(guān)鍵。目前，傳輸系統(tǒng)采用中頻傳輸方式，即將接收機(jī)的射頻接收信號下變頻至合適的中頻頻段，再通過同軸電纜傳輸至觀測終端。射頻同軸電纜鋪設(shè)和維護(hù)較為簡單，但傳輸損耗大，尤其在較高頻段損耗十分嚴(yán)重，表1是幾種低損耗同軸電纜在2 GHz處的衰減特性，可見當(dāng)信號頻率為2 GHz時，對500 m的傳輸距離，其損耗已無法接受[1]。

中頻信號傳輸至終端室，還需要分配給DIBAS、CDAS、DBBC2等多個終端和各種監(jiān)測設(shè)備使用，因此將單路信號功分成多路一致性良好的信號十分重要。同時，由于各終端有不同的輸入功率要求，在信號分配之前加入衰減控制功能會給使用帶來很多便捷。

考慮到DIBAS終端的最高處理帶寬為DC～2 GHz，因此中頻傳輸?shù)脑O(shè)計帶寬為0.1～2.5 GHz，這對整個傳輸鏈路的性能提出了很高的要求，需要設(shè)計寬頻帶、多通道、寬均衡量、低駐波比、一致性好、隔離度高、衰減可控的中頻傳輸分配鏈路。

1 方案設(shè)計

1.1 寬帶均衡系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)要求，自定義技術(shù)指標(biāo)如下：

表1 幾款低損耗同軸電纜2 GHz頻率 處的衰減(溫度20 ℃)

Table 1 Attenuation rates of signals of frequencies at 2GHz in several types of low-loss coaxial cables with their temperatures being at 20℃

電纜型號單位衰減(dB/100m)500m衰減/dBTimeLMR170049245HSR60012864SYWV?50?12139695

(1)頻段：100～2 500 MHz；(2)通道數(shù)：6路；(3)VSWR：≤1.8∶1；(4)增益：0±3 dB；(5)增益平坦度：±1 dB；(6)輸入P1 dB點：+15 dBm；(7)通道隔離度：100 dB；(8)接口形式：N型。

如圖1，A點為饋源艙頂層接收機(jī)，B點為天線一層電纜中轉(zhuǎn)節(jié)點，C點為觀測室終端。根據(jù)之前測得的A點至B點、B點至C點的電纜傳輸特性，描繪一組幅頻響應(yīng)曲線如圖2、3，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

圖1 電纜節(jié)點示意圖

圖2 電纜1～4幅頻曲線(A點→B點)

Fig.2 The amplitude-frequency curves of the cable sections (of Cables 1 to 4) that transmit signals from the NodeAto the NodeB

圖3 電纜1～4幅頻曲線(B點→C點)

Fig.3 The amplitude-frequency curves of the cable sections (of Cables 1 to 4) that transmit signals from the NodeBto the NodeC

由于各根電纜之間有一定差異，只能選取較為典型的曲線進(jìn)行參考設(shè)計。因為總的均衡量比較大，設(shè)計采用兩級均衡單元，分別置于天線一層伺服機(jī)房(B點)和終端室(C點)。為了方便設(shè)計和制作，考慮兩級均衡單元采用相同的模塊，這樣單級的均衡量在21 dB左右；而考慮到均衡器、傳輸線、短電纜有插損，單級的放大增益最好有22 dB以上，且放大器本身的增益平坦度要高。

綜合評估性能和研制進(jìn)度，考慮采用表面貼裝器件(Surface Mounted Devices, SMD)進(jìn)行板級模塊化設(shè)計。通過器件調(diào)研，選定了中電13所的放大器HE397B-2、LC均衡器AES1250/2500-20-S11(定制)[2-3]；選用Rogers的Ro4350B作為基板設(shè)計制作印制板(h=0.9 mm)；設(shè)計鋁制模塊盒體100 mm × 40 mm × 10 mm，使用HFSS的Eigenmode求解類型計算得到一次模諧振頻率4.03 GHz，高于2.5 GHz，可以使用，在實際調(diào)試過程中，上蓋板貼一小塊吸波海綿后進(jìn)一步優(yōu)化腔體諧振特性，提高電路工作的穩(wěn)定性[4]，如圖4。

圖5、6、7列出了放大器、LC均衡器上板后的測試結(jié)果和整個模塊的測試結(jié)果。

表2 電纜傳輸所需的均衡量和增益補(bǔ)償

Table 2 Signal powers to be added for equalizing and compensation values in cable transmission of the system

均衡量(typical)/dBGain(max)/dBA→B1719B→C2622Total4341

圖4 模塊安裝示意圖

Fig.4 Pictures showing installation of the modules in an equalizer unit

圖5 放大器HE397B-2測試曲線

Fig.5 The S11/S22/S21 curves of the HE397B-2 amplifier in the test

圖6 LC均衡器測試曲線

Fig.6 The S11/S22/S21 curves of the LC equalizer in the test

從結(jié)果看，放大器帶內(nèi)的增益平坦度相當(dāng)高，幅度波動僅為0.6 dB；輸入/出電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)也特別好；測試工作電壓電流為5 V/81.9 mA，和規(guī)格書一致。LC均衡器的帶內(nèi)電壓駐波比也相當(dāng)好；均衡度總共19 dB，整條S21曲線基本達(dá)到了初始需求。整個模塊測試，電壓駐波比都在1.74以下，滿足要求；均衡曲線和最大增益達(dá)到了初始需求。

將調(diào)試完的模塊進(jìn)行機(jī)箱組裝(2U機(jī)箱)，設(shè)計通道數(shù)為6路，因此單個機(jī)箱放置6個模塊，總電流為480 mA左右。采用AC-DC模塊TXL 025-05S提供5V/5A的電源，有足夠的功耗余量。前面板設(shè)有數(shù)字電壓、電流指示表和加電指示燈，便于監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)；后面板留有接地保護(hù)柱，機(jī)箱的示意圖如圖8。

圖7 整個模塊測試曲線

1.2 分配單元的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，自定義技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)通道：6路；(2)頻率范圍：0.1～3 GHz；(3)衰減：0～30 dB(步進(jìn)1 dB)；(4)衰減控制：本地手動調(diào)節(jié)+遠(yuǎn)程控制(串口232)；(5)每路功分：一分八；(6)功分隔離度：≥20 dB(同一路輸入)；≥50 dB(不同路輸入)；(7)增益：10±1 dB(衰減為0 dB時)；(8)增益平坦度：≤±1.5 dB；(9)輸入P1 dB：≥0 dBm；(10)VSWR：≤1.8；(11)接口：SMA。

分析上述指標(biāo)，該設(shè)備的設(shè)計難點可總結(jié)如下：功分路數(shù)多，工作頻帶寬，隔離度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較復(fù)雜。

現(xiàn)有功分器貨架中，能覆蓋0.1 GHz到3 GHz的功分器產(chǎn)品很少。一分八同時又能保證有20 dB隔離度的功分器未能找到。從微波電路設(shè)計角度來說，0.1 GHz到1 GHz的微波電路由于頻率稍低，同一工藝和設(shè)計方法可以較好覆蓋，1 GHz到3 GHz的微波電路可用另一種工藝和設(shè)計方法覆蓋。因此，滿足這個工作頻帶和隔離度要求的一分八功分器，以目前業(yè)界的設(shè)計水平，應(yīng)該是很難實現(xiàn)的。即使采用級聯(lián)功分(如一次一分二加兩次一分四)，帶寬和隔離度指標(biāo)還是難以實現(xiàn)，反而使內(nèi)部連線冗余，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜。

圖8 設(shè)備機(jī)箱示意圖

Fig.8 A picture showing the equipment case for the equalizer module

通過調(diào)研，對核心器件一分八功分器進(jìn)行了優(yōu)選，選取了IF Engineering的一款功分器PD-8008-S，其主要指標(biāo)如表3。因為功分器本身的隔離度還未達(dá)到20 dB，考慮在功分器輸出端口加放大器，利用放大器的反向隔離，以進(jìn)一步提高隔離度。圖9是在先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)(Advanced Design System, ADS)中做了一個簡易仿真模型：一分二功分隔離設(shè)為18 dB，放大器反向隔離設(shè)為20 dB，最終端口的隔離度達(dá)到了26 dB，滿足指標(biāo)[5]。

表3 PD-8008-S性能指標(biāo)

圖9 功分隔離度簡易仿真

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通道輸入時，總共需要有48個放大通道，另外機(jī)箱內(nèi)還包含功分器、可控衰減模塊、控制主板、電源模塊等，很難實現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)布局和內(nèi)部連線。因此考慮采用三個機(jī)箱，每個機(jī)箱有兩個通道，這樣使結(jié)構(gòu)設(shè)計和后期維護(hù)更加簡化。

除功分器以外，選擇了幾款單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)器件做板級電路設(shè)計，如選用Mini-Circuits的LEE-49做寬帶放大器，Hittite的HMC542ALP4做數(shù)控衰減器等；采用航天長峰朝陽的線性電源(AC220-7V/3A)以提高供電性能；采用開發(fā)板實現(xiàn)衰減控制信號的初始化、讀取、存儲和輸出；前面板布置有電壓/電流顯示、衰減控制按鍵、衰減顯示屏、加電指示燈等。設(shè)計框圖和設(shè)備機(jī)箱示意圖如圖10、11。

S參數(shù)測試曲線如圖12，主要測試項目和數(shù)據(jù)如表4。

圖10 分配單元設(shè)計框圖(單個機(jī)箱)

Fig.10 A block diagram for the design of the power distribution unit in a single equipment case

圖11 設(shè)備機(jī)箱示意圖

Fig.11 A picture showing an equipment case for a power distribution unit

圖12 S11/S22/S21和隔離度測試曲線(典型端口/0 dB衰減)

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

表4 分配單元測試數(shù)據(jù)(典型端口)

從測試曲線和數(shù)據(jù)看，隔離度和電壓駐波比都相當(dāng)理想，總增益和衰減控制也滿足要求，但全頻帶內(nèi)的增益平坦度還未達(dá)到理想的目標(biāo)，主要是放大器和數(shù)控衰減器在使用中，同一組耦合電路、偏置電路參數(shù)難以很好地覆蓋從低至高的整個帶寬，但每1 GHz單位帶寬內(nèi)可以達(dá)到≤±1.5 dB，可以滿足系統(tǒng)使用需求。

衰減遠(yuǎn)控軟件采用遠(yuǎn)程分布式控制技術(shù)，多個客戶端可以同時遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制中頻分頻單元，如圖13?？刂平缑娌捎肞ython語言調(diào)用Qt4圖形庫編寫，如圖14。

圖13 軟件遠(yuǎn)程控制框架

Fig.13 The architecture of the remote-control software of the system

圖14 控制軟件界面

Fig.14 A screenshot of the interface of the remote- control software of the system

2 系統(tǒng)測試

將上述研制完成的均衡單元、分配單元接入65 m射電望遠(yuǎn)鏡中頻傳輸系統(tǒng)。連接和測試框圖如圖15[6]。

圖15 中頻傳輸系統(tǒng)連接和測試示意圖

Fig.15 A block diagram showing the connection and test of the entire system

將兩臺寬帶均衡單元分別安裝于天線一層(前級)、終端室二層(后級)，后級均衡單元輸出接兩臺分配單元(暫使用4個通道)，如圖16、17。在饋源艙放置一信號源，接傳輸系統(tǒng)同軸電纜，發(fā)射功率值-20 dBm，在終端室測試分配單元輸出后的頻譜功率。首先，信號源發(fā)射單載波，頻率從100 MHz到2 500 MHz，步進(jìn)為10 MHz，每次記錄下頻譜儀測得的單載波功率，計算出傳輸增益，描繪一組幅頻曲線。

圖16 均衡單元安裝圖(天線一層)

Fig.16 A picture showing the installation of the equalizer module in the lowest layer of the antenna

圖17 均衡單元、分配單元安裝圖(終端室)

Fig.17 A picture showing the installation of the equalizer unit and power distribution units in the terminal room

選取通道3(L/C/X左旋)、通道4(L/C/X右旋)進(jìn)行測試和記錄，每個通道選取兩個分配輸出端口。和圖2、圖3相比，通過幅度均衡之后，傳輸通道的幅度平坦度有了根本性的改善，如圖18；對于同一輸入通道，各個分配輸出端口的一致性良好。接著，拿掉信號源，接致冷接收機(jī)(X波段)的輸出，觀察最終輸出的中頻頻譜包絡(luò)，如圖19，淺色軌跡為X波段中頻左旋頻譜，深色軌跡為右旋頻譜，頻譜性能優(yōu)良。此外，通過面板按鍵或串口遠(yuǎn)程控制可以調(diào)整通道的衰減量，為數(shù)字終端處理左/右旋信號的功率差異提供便捷。

圖18 系統(tǒng)測試幅頻曲線

Fig.18 The amplitude-frequency curves of the system resulting from the test

圖19 X波段中頻輸出頻譜

3 結(jié) 論

中頻傳輸分配系統(tǒng)對于整個射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的正常觀測十分重要。通過優(yōu)化設(shè)計寬帶均衡單元、分配單元等，為65 m射電望遠(yuǎn)鏡從前端接收機(jī)至數(shù)字終端提供了良好的信號傳輸通道。經(jīng)過系統(tǒng)測試和實際觀測任務(wù)的驗證，該中頻傳輸分配系統(tǒng)性能穩(wěn)定，很好地滿足了系統(tǒng)觀測的需求。

[1] 鄔娜飛. 寬帶微波信號光纖傳輸鏈路的設(shè)計與測試[D]. 上海: 中國科學(xué)院上海天文臺, 2011.

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[3] 張永慧, 胡善祥, 姚波. 微帶功率均衡器的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 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.

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Development of an IF-Signal Transmission and DistributionSystem for the 65m Telescope of the SAO

Yuan Jin, Gou Wei, Zhao Rongbing, Li Bin

(Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: yuanjin@shao.ac.cn)

The 65m radio telescope of the Shanghai Astronomical Observatory (SAO) is an advanced radio-telescope system which has a large aperture, a high frequency limit for detection, multiple frequency bands for observation, and an antenna movable to any sky direction. Because of the site of the telescope, the distances from its receivers to its digital terminals are nearly 500m. It is thus an issue to accurately transmit radio signals received by the telescope antenna. In radio astronomy it is a common practice to first convert received radio signals to proper Intermediate-Frequency (IF) signals, and then transmit the IF signals through coaxial cables to a terminal room, where the IF signals are distributed to multiple terminals and monitoring equipments. The distribution also requires highly consistent division of single-channel signals into multi-channel signals. Meanwhile, the needed powers of signals input to different terminals are different; it will be convenient to correct for attenuations of signals input to various terminals, respectively. In this paper, we present the design and implementation of an IF-signal transmission and distribution system for the 65m radio telescope, which has a frequency range for observation of 0.1GHz to 2.5GHz and a channel number of 6. The signal-attenuation correction range of the system is 1dB to 30dB, and the correction can be controlled on-site or remotely. The specifications of the system, including link gains, VSWR, isolation levels, and consistency levels in distributed outputs can meet the demands. These enable the system to provide high-quality IF signals usable as inputs of the digital terminals. We have carried out tests and verified the high-level performance of the system. Overall, the system can meet the needs of radio-astronomy observations of the SAO.

Radio telescope; IF-signal transmission link; Broadband equalization; IF-signal distribution; Attenuation correction

國家自然科學(xué)基金 (11473060) 資助.

2014-10-21；修定日期：2014-11-12 作者簡介：袁 瑾，男，碩士. 研究方向：射頻微波電路和系統(tǒng)設(shè)計、測試. Email: yuanjin@shao.ac.cn

P111.44

A

1672-7673(2015)03-0262-08