射電天文臺(tái)址電子設(shè)備電磁輻射評(píng)估*

劉 奇，陳卯蒸，李 穎，張群濤

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

射電天文臺(tái)址電子設(shè)備電磁輻射評(píng)估*

劉 奇1,2，陳卯蒸1,2，李 穎1，張群濤1

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

射電望遠(yuǎn)鏡具有極高的系統(tǒng)靈敏度，且系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間及臺(tái)址內(nèi)電子設(shè)備眾多，電磁環(huán)境復(fù)雜，科學(xué)合理地評(píng)估臺(tái)址內(nèi)電子設(shè)備輻射發(fā)射對(duì)射電天文觀測(cè)的影響，對(duì)系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)、無(wú)線電管理、屏蔽改造等有重要的指導(dǎo)意義。淺析了射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)靈敏度及射電天文領(lǐng)域儀器設(shè)備輻射發(fā)射相關(guān)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；基于射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)靈敏度及觀測(cè)需求，計(jì)算了南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值，并給出了天線旁瓣增益的計(jì)算方法；提出一種基于干擾電平限值、旁瓣增益、干擾測(cè)量、路徑衰減的電子設(shè)備電磁輻射評(píng)估方法，并針對(duì)南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡天線驅(qū)動(dòng)電磁輻射進(jìn)行了評(píng)估，給出了屏蔽需求。

輻射發(fā)射；干擾電平；旁瓣增益；評(píng)估方法

我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72-85[1]規(guī)定，電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力；它反映的是設(shè)備或系統(tǒng)承受電磁騷擾時(shí)能正常工作，同時(shí)又不產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定限值的電磁騷擾。它是設(shè)備或系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，也是保障系統(tǒng)的工作效能和提高系統(tǒng)可靠性的重要因素。

射電望遠(yuǎn)鏡具有極高的系統(tǒng)靈敏度，且系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間及臺(tái)址內(nèi)電子設(shè)備眾多。隨著高頻電子技術(shù)、寬帶高速采樣及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字接收機(jī)、數(shù)字終端、商用設(shè)備、電氣設(shè)備及臺(tái)址光學(xué)觀測(cè)設(shè)備的建設(shè)使臺(tái)址電磁環(huán)境變得尤為復(fù)雜。射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)天線、饋源、接收機(jī)、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理終端等完成數(shù)據(jù)的接收與處理，其中天線、饋源、傳輸系統(tǒng)為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[2]，易受到外界電子設(shè)備輻射發(fā)射的干擾，影響系統(tǒng)的電磁兼容性；另外，射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)內(nèi)共存有天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、換饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理終端、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制及監(jiān)控系統(tǒng)及其他電氣設(shè)備等，這些設(shè)備的電磁輻射發(fā)射通過(guò)天線旁瓣進(jìn)入接收系統(tǒng)[3]，降低系統(tǒng)的信噪比。射頻干擾 (Radio Frequency Interference, RFI)的強(qiáng)度和頻譜密度使觀測(cè)結(jié)果深受射頻干擾的影響以致失去利用價(jià)值。利用單天線射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)最易受到干擾的影響，原因是積分時(shí)間提高了望遠(yuǎn)鏡對(duì)天文信號(hào)的靈敏度，但也同等程度地提高了射頻干擾信號(hào)的靈敏度。射頻干擾不僅會(huì)影響某些觀測(cè)或特定觀測(cè)類型的質(zhì)量，而且還限制射電天文臺(tái)的總體效率，增加了觀測(cè)時(shí)間和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性[4]。

綜上，電磁兼容性是衡量?jī)x器設(shè)備或系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，也是保障系統(tǒng)的工作效能和提高系統(tǒng)可靠性的重要因素。射電望遠(yuǎn)鏡具有極高的靈敏度，而觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間電磁兼容問(wèn)題影響系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)的信噪比，電子設(shè)備輻射發(fā)射影響某些觀測(cè)或特定觀測(cè)類型的質(zhì)量，限制射電天文系統(tǒng)的總體效率，增加了觀測(cè)時(shí)間和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性?？茖W(xué)合理地評(píng)估射電天文儀器設(shè)備的輻射特性對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡電磁兼容性改造及系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 干擾電平限值計(jì)算

1.1 系統(tǒng)靈敏度

系統(tǒng)靈敏度是衡量射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)微弱信號(hào)能力的重要指標(biāo)。定義P為系統(tǒng)的輸入功率，ΔP為射電觀測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量到的最小功率電平變化值，則系統(tǒng)靈敏度為

(1)

其中，B為帶寬，單位Hz，通常B為射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的工作帶寬[3]；τ為積分時(shí)間，單位為s，通常根據(jù)觀測(cè)模式及觀測(cè)射電源的強(qiáng)度計(jì)算獲得合適的積分時(shí)間。(1)式中ΔP和P可以通過(guò)波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23Joules/k轉(zhuǎn)換為溫度單位：

(2)

則系統(tǒng)靈敏度可表示為

(3)

其中，T=TA+TR，TA為天線噪聲溫度；TR為接收機(jī)噪聲溫度，射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值ΔPH定義為帶寬Δf內(nèi)引起可測(cè)量到的最小功率電平ΔP產(chǎn)生1/10誤差的干擾電平，即

(4)

1.2 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)針對(duì)射電天文儀器設(shè)備靈敏度及不同觀測(cè)模式的要求，制定了ITU-R RA.769建議書(shū)，此建議書(shū)依據(jù)射電天文分配的頻譜帶寬，積分時(shí)間為2 000 s，通過(guò)計(jì)算給出了射電天文連續(xù)譜觀測(cè)高于13 MHz，譜線觀測(cè)高于327 MHz的有害流量密度極值[3]，如圖1。建議書(shū)中給出了典型射電觀測(cè)接收系統(tǒng)靈敏度門限及最小能觀測(cè)到的信號(hào)功率流量密度，單位dB(W/m2)，用于評(píng)估射電天文臺(tái)址電子設(shè)備輻射發(fā)射是否超過(guò)限值要求。然而在低于3 GHz頻段主要進(jìn)行脈沖星和連續(xù)譜觀測(cè)，ITU-R RA.769建議書(shū)并沒(méi)給出脈沖星觀測(cè)干擾電平限值的計(jì)算方法，脈沖星觀測(cè)頻段為L(zhǎng)波段，此波段的無(wú)線電環(huán)境較差，如空間衛(wèi)星、雷達(dá)測(cè)距、飛機(jī)導(dǎo)航、移動(dòng)通信等影響脈沖星觀測(cè)；另外，臺(tái)址內(nèi)的儀器設(shè)備眾多，開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等寬帶噪聲源、觀測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等輻射發(fā)射大幅提高環(huán)境噪聲，降低了射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)靈敏度。所以需要依據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際觀測(cè)需求及技術(shù)指標(biāo)，給出合理的系統(tǒng)性能參數(shù)，對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值進(jìn)行量化，以使射電望遠(yuǎn)鏡電磁兼容設(shè)計(jì)、屏蔽防護(hù)、無(wú)線電管理等有據(jù)可依。

圖1 ITU-R RA.769極限

Fig.1 The sensitivity limits recommended by the ITU-R RA.769

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC15-10 Class A及Class B標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際無(wú)線電干擾委員會(huì)CISPR11& CISPR22標(biāo)準(zhǔn)給出了消費(fèi)電子等輻射設(shè)備允許的最大輻射功率極限。此標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用比較廣泛，標(biāo)準(zhǔn)中給出了輻射設(shè)備給定距離的輻射發(fā)射電場(chǎng)強(qiáng)度，通常為3 m或10 m，輻射測(cè)試獨(dú)立于射電天文觀測(cè)系統(tǒng)在微波暗室中進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于臺(tái)址內(nèi)的電磁輻射評(píng)估，此標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有太大意義，這是因?yàn)槭欠駶M足標(biāo)準(zhǔn)主要取決于輻射設(shè)備離接收設(shè)備的距離。也就是說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備，在設(shè)計(jì)階段要求其滿足標(biāo)準(zhǔn)中的極限要求。標(biāo)準(zhǔn)中有必要確定測(cè)試設(shè)備與接收設(shè)備的距離，這樣可以與ITU-R RA.769建議書(shū)中的限值進(jìn)行對(duì)比，而任何給定的標(biāo)準(zhǔn)極限，只有功率流量密度或場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有具體的測(cè)試距離是不可行的。

1.3 干擾電平閾值計(jì)算

射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平閾值，主要考慮低于3 GHz頻段，這是因?yàn)榕_(tái)址電子設(shè)備的輻射發(fā)射主要集中在此頻段。計(jì)算給定頻點(diǎn)的有害干擾電平的主要參數(shù)有系統(tǒng)噪聲溫度、帶寬和積分時(shí)間；帶寬和積分時(shí)間取決于觀測(cè)模式。計(jì)算的有害干擾電平限值結(jié)果盡量與不同的觀測(cè)模式相匹配，與譜線相比，連續(xù)譜和脈沖星觀測(cè)帶寬較寬，可適當(dāng)減少積分時(shí)間。南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)及觀測(cè)終端技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，表中給出的接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度為最佳工作狀態(tài)性能。

25 m射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值按照(4)式進(jìn)行計(jì)算，由于我們關(guān)心的頻率在3 GHz以下，主要進(jìn)行脈沖星觀測(cè)和連續(xù)譜觀測(cè)。連續(xù)譜觀測(cè)對(duì)相對(duì)寬的總功率通帶比較敏感；瞬態(tài)開(kāi)關(guān)、電源線噪聲、熒光燈等寬帶干擾對(duì)連續(xù)譜觀測(cè)產(chǎn)生較大的影響，因?yàn)樵谝粋€(gè)較寬的通帶內(nèi)總的積分功率相對(duì)較高。對(duì)于較低頻率的連續(xù)譜觀測(cè)，一般并沒(méi)有使用長(zhǎng)的積分時(shí)間，結(jié)合射電源背景噪聲，設(shè)置可探測(cè)到的基本限值，通常積分時(shí)間為幾十秒。對(duì)于脈沖星搜尋觀測(cè)，可以選擇總的觀測(cè)時(shí)間為16 min(960 s)，假設(shè)時(shí)間精度為脈沖星周期的1%，而有效的積分時(shí)間為10 s[5]，故選擇積分時(shí)間為10 s，為滿足兩種觀測(cè)模式，觀測(cè)帶寬按照脈沖星觀測(cè)終端帶寬，干擾電平限值計(jì)算見(jiàn)表2。

表1 南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)及觀測(cè)終端

Table 1 The main performance-parameter values of the receivers and back-ends of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

接收機(jī)終端使用帶寬/MHz系統(tǒng)溫度/K終端通道帶寬18cm32028500KHz13cm32070500KHzS/X300552MHz6cm642578KHz13cm645078KHz

表2 南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值

Table 2 The allowed interference limits of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

頻率/MHz系統(tǒng)噪聲/K帶寬/MHz積分時(shí)間/s干擾電平限值/dBm2003002510-15684400802010-158068005010010-1566116002832010-1566030005580010-15168

1.4 天線旁瓣增益

ITU-R RA.769[6]建議書(shū)提出的射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值為旁瓣增益0 dBi時(shí)的干擾電平限值，并沒(méi)有考慮天線旁瓣增益的影響，實(shí)際情況下天線旁瓣增益影響較大，對(duì)于評(píng)估臺(tái)址儀器設(shè)備輻射發(fā)射對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的影響非常重要。ITU-R SA.509建議書(shū)給出了針對(duì)大口徑(D/λ≥100，D為天線直徑，λ為工作波長(zhǎng))拋物面天線的旁瓣增益模型，其中包含單干擾源進(jìn)入接收系統(tǒng)的旁瓣模型及多干擾源進(jìn)入接收系統(tǒng)的旁瓣模型；而對(duì)于計(jì)算實(shí)際的干擾源，如天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、邏輯控制、電源模塊、天線控制單元 (Antenna Control Unit, ACU)等組成，其干擾特征并不是唯一的，而是多個(gè)干擾模塊共同組成，即可認(rèn)為是多個(gè)干擾源進(jìn)入接收系統(tǒng)，故可選用多干擾源進(jìn)入接收系統(tǒng)的天線旁瓣模型：

(5)

其中，Φ為待評(píng)估儀器設(shè)備偏離射電望遠(yuǎn)鏡主波束軸的角度。評(píng)估儀器設(shè)備輻射發(fā)射對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的影響時(shí)僅考慮極壞情況，即射電望遠(yuǎn)鏡主波束軸的投影與待評(píng)估儀器設(shè)備重合，儀器設(shè)備偏離射電望遠(yuǎn)鏡主波束軸的夾角按照?qǐng)D2進(jìn)行計(jì)算，圖中A點(diǎn)表示待評(píng)估儀器設(shè)備；B點(diǎn)表示射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面中心；C表示射電望遠(yuǎn)鏡拋物面；φ為射電望遠(yuǎn)鏡俯仰角；Ld為待評(píng)估設(shè)備到射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面中心與地面投影的水平距離；H為待評(píng)估設(shè)備到射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面中心的垂直距離。

按照(6)式計(jì)算儀器設(shè)備偏離射電望遠(yuǎn)鏡主波束軸的夾角Φ：

(6)

2 儀器設(shè)備輻射特性評(píng)估

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

電子設(shè)備輻射特性測(cè)試系統(tǒng)由對(duì)稱周期天線、前置放大器、頻譜儀和計(jì)算機(jī)組成，測(cè)試實(shí)物圖如圖3。對(duì)稱周期天線接收的射頻信號(hào)通過(guò)前置放大器放大后進(jìn)入頻譜儀，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制頻譜儀，測(cè)試數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)；采用噪聲源346C[7]對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)處理后，獲得測(cè)試系統(tǒng)噪聲溫度和系統(tǒng)增益；運(yùn)用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得測(cè)試天線口面處的輻射功率[2]。

2.2 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理

測(cè)試方法及頻譜儀設(shè)置如下：

測(cè)試距離：1 m； RBW=30 KHz；

VBW=300 KHz； 積分時(shí)間：20 s；

Detector：Sample+線性平均

圖2 電子設(shè)備偏離主波束軸角示意圖

Fig.2 A schematic diagram illustrating the angle of the direction to an electronic device from the axis of the main beam of a radio antenna

圖3 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖. (a) 系統(tǒng)校準(zhǔn)；(b) 系統(tǒng)測(cè)試[2]

Fig.3 Pictures of the measurement system. (a) The system when being calibrated; (b) The system in a test measurement[2]

數(shù)據(jù)處理框圖如圖4，基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源運(yùn)用Y因子法對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得系統(tǒng)增益；通過(guò)計(jì)算機(jī)控制頻譜儀掃頻和數(shù)據(jù)采集，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)；對(duì)測(cè)試天線增益線性插值處理與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)?；谙到y(tǒng)增益和天線增益對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得儀器設(shè)備到達(dá)天線口面的輻射功率。

2.3 輻射特性評(píng)估

儀器設(shè)備輻射特性評(píng)估框圖如圖5，輻射特性測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理方法在2.2節(jié)已詳述?；谏潆娡h(yuǎn)鏡技術(shù)指標(biāo)，按照國(guó)際電聯(lián)ITU-R RA769建議書(shū)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，獲得射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值。

電波傳播選用自由空間傳播模型，但是此模型缺乏準(zhǔn)確性，這是因?yàn)殡姶挪▊鞑ヂ窂街写嬖诮ㄖ铩⑵渌娮釉O(shè)備及地形等障礙，電磁波在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)反射、衍射，路徑衰減必定大于自由空間衰減(近距離電波傳輸)，而針對(duì)單一且距離射電望遠(yuǎn)鏡較近的儀器設(shè)備進(jìn)行初步的輻射發(fā)射評(píng)估，分析輻射發(fā)射對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的影響，還是很有意義的。假設(shè)儀器設(shè)備距離射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面的距離為D，單位km，電磁波傳播頻率為f，單位MHz，則路徑衰減LP為

Lp=32.4+20lgf+20lgD .

(7)

圖4 數(shù)據(jù)處理框圖

Fig.5 A block diagram of our evaluation of radiation levels of instruments

針對(duì)射電天文業(yè)務(wù)評(píng)估儀器設(shè)備的電磁輻射性能，需要分析其輻射發(fā)射是否對(duì)射電天文觀測(cè)造成影響，即儀器設(shè)備的輻射電磁波經(jīng)過(guò)路徑衰減到達(dá)射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面功率低于射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面的干擾電平限值，可認(rèn)為儀器輻射發(fā)射對(duì)天文觀測(cè)沒(méi)有影響。然而由于射電望遠(yuǎn)鏡具有極高的靈敏度，對(duì)于較強(qiáng)的干擾源，如射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，若這些設(shè)備離望遠(yuǎn)鏡饋源口面距離較近，必然對(duì)射電天文觀測(cè)業(yè)務(wù)造成影響，故這類設(shè)備需要進(jìn)行評(píng)估與分析，定量地計(jì)算其屏蔽需求，依據(jù)屏蔽需求，對(duì)此類儀器設(shè)備進(jìn)行屏蔽和濾波處理，以滿足其輻射干擾不影響射電天文觀測(cè)業(yè)務(wù)。假設(shè)儀器設(shè)備輻射發(fā)射功率為P，單位dBm，其輻射發(fā)射路徑衰減為L(zhǎng)p，射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值為Plim，單位dBm，天線旁瓣增益為G(Φ)，單位dBi，則儀器設(shè)備的屏蔽需求屏蔽效能S為

(8)

2.4 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射發(fā)射評(píng)估

天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和邏輯控制單元組成，電機(jī)為22 kW直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)脈寬調(diào)制控制電機(jī)的速度，驅(qū)動(dòng)器連接電機(jī)的控制電纜與大地產(chǎn)生共模電流，通過(guò)控制線纜進(jìn)行輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射；考慮到天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為臺(tái)址主要干擾源，在南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡探月三期改造的同時(shí)，將天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在天線基墩下面的地下室中，而原先天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在距離天線28 m左右的觀測(cè)室；按照1.4節(jié)介紹的天線增益模型，考慮極壞情況時(shí)天線方位為5°，天線主波束軸與天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于同一平面，饋源距離天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)垂直距離約15 m，水平距離約6 m，可計(jì)算出天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與天線主波束軸的夾角為116.8°，從而計(jì)算出天線旁瓣增益為-8 dBi；對(duì)于天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在觀測(cè)室的情況，垂直距離約14 m，水平距離約28 m，可計(jì)算出天線旁瓣增益為-7.55 dBi；綜合以上分析，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在天線基墩下面到達(dá)饋源口面的距離小于觀測(cè)室到達(dá)饋源口面的距離，若僅僅考慮自由空間傳播，在1 400 MHz頻點(diǎn)處，改造后電波自由空間衰減減小了5 dB；但是對(duì)于實(shí)際情況，安裝在天線以下存在水泥基墩的屏蔽作用及天線底座和支架的反射及衍射影響，初步評(píng)估認(rèn)為新的位置更為理想。而后期需要進(jìn)行深入的測(cè)試與評(píng)估改造后天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的影響，以確定是否需要對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽及濾波處理。

對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射發(fā)射進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試帶寬380 MHz～1 060 MHz，通過(guò)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理獲得天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輻射頻譜，輻射頻譜為圖6中實(shí)線，虛線為射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值，從圖中可以看出，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射發(fā)射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾限值。

考慮到電波傳播路徑衰減，按照電波傳播自由空間傳播模型，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)離射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面約16.2 m，路徑衰減按照(7)式計(jì)算；另外，天線旁瓣增益為-8 dBi，按照(8)式計(jì)算天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屏蔽需求，計(jì)算結(jié)果如圖7，從圖中可以看出，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屏蔽需求為27 dB。但對(duì)于實(shí)際工程，還需考慮天線基墩的屏蔽作用及天線結(jié)構(gòu)對(duì)電波的影響，在后期的工作中需進(jìn)行屏蔽效能及路徑衰減測(cè)試，以更加準(zhǔn)確地評(píng)估天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁輻射對(duì)射電天文觀測(cè)的影響。

圖6 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射頻譜與干擾電平限值

Fig.6 The measured radio spectrum (the solid curve) of the antenna drive system as compared to the allowed interference limits (the dotted curve) for the 25m radio telescope at the Nanshan Station

圖7 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屏蔽需求

Fig.7 The required shielding-effectiveness values for the antenna drive system of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

3 小 結(jié)

介紹了射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度計(jì)算及臺(tái)址電磁輻射評(píng)估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，淺析了射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值計(jì)算方法，給出了射電天文儀器設(shè)備電磁輻射評(píng)估的方法，并針對(duì)南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射特性進(jìn)行了評(píng)估。在前期的工作中也存在一些問(wèn)題，如電波傳播模型缺乏準(zhǔn)確性，電波模型的建立、仿真、測(cè)試工作需要在后期的工作中投入時(shí)間與精力；另外，射電望遠(yuǎn)鏡饋源口面干擾電平限值量化有必要更加準(zhǔn)確，以免在未來(lái)的射電望遠(yuǎn)鏡電磁兼容設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)中出現(xiàn)欠設(shè)計(jì)或過(guò)設(shè)計(jì)，相關(guān)技術(shù)的研究需要深入。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72-85: 電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語(yǔ)[S].1986.

[2] 劉奇, 王凱, 王洋, 等. 射電天文終端電子設(shè)備輻射特性測(cè)試[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2014, 11(3): 218-223. Liu Qi, Wang Kai, Wang Yang, et al. Measurements of radiation characteristics of a set of electronic backend devices for radio astronomy[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(3): 218-223.

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A Study of Evaluation of Electromagnetic Radiation Levels ofElectronic Devices Near a Radio Telescope

Liu Qi1,2, Chen Maozheng1,2, Li Ying1, Zhang Quntao1

(1. Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China, Email: liuqi@xao.ac.cn;2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

An astronomical radio telescope has extremely high system sensitivities. With increasingly amounts of digital high-speed back-ends and control modules in radio telescopes and intensifying external radio interferences for observational stations, electromagnetic environments of astronomical radio telescopes are increasingly deteriorating. Detailed evaluations of electromagnetic radiation levels of electronic devices affecting radio telescopes can provide important guidance for the electromagnetic compatibility to be considered in design and system improvement of radio telescopes. In this paper we use a simple approach to analyze system sensitivities of telescopes and the relevant assessment criteria of electromagnetic radiation levels of electronic equipments in radio astronomy. We then give a method to calculate side-lobe gains of radio antennas. We further propose a method to evaluate influences of electromagnetic radiations of telescope equipments on observations in radio astronomy. We have calculated the allowed interference limits of the 25m radio telescope at the Nanshan Station of the Xijiang Astronomical Observatory based on system sensitivities and observational requirements of the telescope. Using the calculated interference limits and the method for side-lobe gains in data processing and emission-level evaluation, we have measured the radio spectrum of radiation from the antenna drive system of the 25m telescope. The results lead to the required shielding-effectiveness values of the antenna drive system. The values can be rather helpful for designing the shielding apparatus to mitigate interferences of the antenna drive system.

Radiation emission; Interference level; Side-lobe gain; Evaluation method

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11103056, 11473061)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃) (2015CB857100) 資助.

2014-11-02；修定日期：2014-11-24 作者簡(jiǎn)介：劉 奇，男，工程師. 研究方向：射頻干擾測(cè)試、緩解及電磁兼容技術(shù). Email: liuqi@xao.ac.cn

TN978

A

1672-7673(2015)03-0292-07