太陽射電30～65 MHz波段模擬接收機的研制*

郭少杰，汪 敏，董 亮，施碩彪

(中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

太陽射電30～65 MHz波段模擬接收機的研制*

郭少杰，汪 敏，董 亮，施碩彪

(中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011)

10 m波段的太陽射電觀測，對監(jiān)測日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection, CME)有著重要的意義。介紹了一種安裝在太陽射電天線陣的模擬接收機，工作頻率范圍是30～65 MHz，用于監(jiān)測太陽10 m波的爆發(fā)活動。接收機采用直接采樣的結(jié)構(gòu)，由巴倫、濾波器和放大器組成。研制完成的接收機，增益達到60 dB，動態(tài)范圍約33 dB，輸入三階互調(diào)點IIP3=-24 dBm，噪聲系數(shù)N=4.3 dB，滿足觀測要求。最后，計算了太陽射電天線陣的最小可測流量密度。關(guān)鍵詞：動態(tài)范圍；低噪聲系數(shù)；最小可測流量密度

太陽射電爆發(fā)事件，主要是耀斑、日冕物質(zhì)拋射，是太陽系中最劇烈、最活躍的能量釋放過程，其中高能粒子有可能對地球周圍的空間環(huán)境及地磁場產(chǎn)生強烈的擾動，直接影響衛(wèi)星、通訊、電力等現(xiàn)代化系統(tǒng)，并且影響人體健康，對人類的生活環(huán)境帶來直接影響。

太陽的射電輻射主要來自日冕，不同波段的射電輻射反映了日冕不同層次的活動情況。對太陽射電輻射的觀測研究是診斷日冕物理參數(shù)(如溫度、密度、磁場等)的最重要手段。10 m波段(約15～100 MHz)，大約對應日冕1～2個太陽半徑的高度范圍的高日冕區(qū)域。10 m波段的太陽射電輻射監(jiān)測，對研究該區(qū)域日冕物理特性，監(jiān)測日冕物質(zhì)拋射和激波在高日冕中的傳播，預警預報空間天氣，有著重要的意義[1]。

目前國內(nèi)對10 m波段的觀測是一個空白，因此建立觀測10 m波段的太陽射電望遠鏡十分重要，其關(guān)鍵設備接收機的研制也顯得十分重要。

云南天文臺射電天文研究組建造完成的低頻段太陽射電天線陣，是由4單元倒V 型雙極化半波振子天線組成的小型天線陣。考慮到本地的無線電環(huán)境，將工作頻率設置在30～65 MHz頻段，主要用于探測高日冕區(qū)的太陽活動。它與云南天文臺已經(jīng)擁有的10 m太陽射電望遠鏡(625～1 500 MHz)和11 m太陽射電望遠鏡(70～700 MHz)一起，實現(xiàn)對太陽日冕從底部到2個太陽半徑范圍內(nèi)日冕射電輻射的全覆蓋頻譜觀測。期望在四個方面發(fā)揮作用：日冕物質(zhì)拋射初始階段實時動態(tài)監(jiān)測；日冕和行星際激波的診斷；能量釋放及粒子加速和空間天氣預警預報。

1 無線電環(huán)境測試

首先測試了云南天文臺在10～150 MHz頻段的無線電環(huán)境，并詳細測試了其中干擾信號較少的30～70 MHz頻段，作為接收機設計的依據(jù)。圖1給出了10～150 MHz和30～70 MHz頻段的無線電環(huán)境情況，從中可以看出30～70 MHz頻段的干擾較少，無線電環(huán)境相對較好。

圖2給出太陽在低頻段寧靜和爆發(fā)時與星系背景噪聲流量值的比較[2]。由圖可見，在低頻段，太陽寧靜時的輻射小于星系背景噪聲，但當爆發(fā)時，輻射流量值會有若干數(shù)量級的增加。

圖1 云南天文臺10～150 MHz的無線電環(huán)境

Fig.1 The radio environment in the frequency range of 10MHz to 150MHz at the Fenghuang Mountain of the Yunnan Observatories

2 接收系統(tǒng)的組成及參數(shù)

根據(jù)10 m波段的太陽輻射特征和無線電環(huán)境情況，要求接收機具有高的動態(tài)范圍、高的增益和較好的抗干擾能力。

2.1 接收機的設計

接收機是由放大模塊、濾波器模塊和巴倫模塊組成[3]。

放大器模塊：分別基于MINI-CIRCUITS公司生產(chǎn)的Gali-74和RAM-6A+兩種放大集成芯片設計了兩種放大模塊，由穩(wěn)壓芯片LM7812設計的偏置電路對放大集成芯片供電，偏置電路用一個22 uH的電感與射頻微波電路分開。其中RAM-6A+放大模塊功耗小，噪聲系數(shù)低，適合放在接收機的第一級，有利于降低接收機的噪聲溫度，提高接收系統(tǒng)的靈敏度；Gali-74放大模塊的輸出1 dB壓縮點較大，適合放在接收機的中間級和末級，能夠提高接收機的動態(tài)范圍。

圖2 低頻段的射電流量譜

Fig.2 Low-frequency radio spectra of the sun in various states and the background radio spectra of Galactic origins

濾波器模塊：設計了三階定K型+m推演型的濾波器和波紋為0.05 dB的五階切比雪夫濾波器兩種類型的濾波器。前者的帶外抑制能力比較好，適于放在接收機的前端，濾除帶外的強干擾；后者的帶內(nèi)損耗和駐波比較小，適于放在接收機的中間級，有利于降低信號在接收機內(nèi)的損耗。

巴倫模塊：巴倫是由1個180°混合連接器(MCL F310 T1-1T)、2個放大模塊和4個濾波器模塊組成。其中最重要的部分是180°混合連接器，它不僅實現(xiàn)了天線與同軸電纜之間平衡-不平衡的轉(zhuǎn)換，而且實現(xiàn)了半波振子天線兩臂之間的180°的相移。

圖3是10 m波段的太陽射電觀測系統(tǒng)組成框圖，圖中只給出一個極化方向的接收系統(tǒng)。接收機的原理圖如圖4和圖5，電路板圖如圖6。

圖3 工作原理框圖

Fig.3 A block diagram of the analog receiver (showing only the part for measurement of one polarization direction)

圖4 接收機的原理圖(第1部分)

Fig.4 Schematic diagrams of the first part of the analog receiver

圖5 接收機的原理圖(第2部分)

Fig.5 Schematic diagrams of the second part of the analog receiver

圖6 接收機的電路板圖

Fig.6 A photo of the circuit board of the analog receiver

2.2 接收機的主要性能參數(shù)

2.2.1 接收機參數(shù)的計算

根據(jù)每一級元件的參數(shù)和相關(guān)的計算方法[4]，計算得到整個接收機的增益(G)、噪聲系數(shù)(F)和輸出三階互調(diào)點(OIP3)，如表1。

表1 接收機的性能參數(shù)

最終計算得出接收機的主要參數(shù)：G=61.2 dB，F(xiàn)=4.28 dB和OIP3=36.04 dBm，相對應的輸入三階互調(diào)點IIP3=OIP3-G=-25.16 dBm。一般情況下，輸入1 dB壓縮點IP1 dB約比輸入三階互調(diào)點IIP3小10～15 dB，所以得輸入1 dB壓縮點IP1 dB在-40.16～-35.16 dBm之間。

就外商直接投資的來源國分析，2017年，東盟各國對我國新投資設立的企業(yè)較上年同比增長了11%，共投資新設立企業(yè)1287家；歐盟對我國新投資設立的企業(yè)較上年同比增長了7.6%，共投資新設立企業(yè)1873家。特別關(guān)注的是“一帶一路”沿線國家對我國新投資設立的企業(yè)較上年同比增長了32.8%，共投資新設立企業(yè)3857家。對我國直接投資金額最多的前十位國家或地區(qū)分別是：香港、新加坡、臺灣省、韓國、日本、美國、荷蘭、德國、英國、丹麥。

2.2.2 接收機整機參數(shù)的測試

用信號源和頻譜儀等儀器測量接收機的主要參數(shù)：增益、1 dB壓縮點、三階互調(diào)點。圖7給出了接收機的增益隨著頻率的變化，設置信號源的輸入功率-70 dBm，因此測得的增益G=60 dB，約比計算得到的增益61.2 dB小1.2 dB。

圖8給出了在45 MHz處接收機1 dB壓縮點的測試情況，輸入1 dB壓縮點IP1 dB=-39.83 dBm。圖9給出了接收機二階互調(diào)點和三階互調(diào)點的測試情況，輸入三階互調(diào)OIP3=-24 dBm。輸出二階諧波點OIP2=4 dBm。

3 接收機的性能

3.1 接收系統(tǒng)的最小可測流量密度

整個接收系統(tǒng)的噪聲溫度Tsys：

TA=Tsun+Tback.

式中，TA為天線噪聲溫度；Tback為天空背景噪聲溫度[5]；Tsun為太陽寧靜時的噪聲溫度；ηt為天線輸出到接收機之間的傳輸系數(shù)；T0為環(huán)境溫度，290 K；TN為接收機的噪聲溫度，等于(F-1)T0；Δf為積分帶寬；τ為積分時間。

圖7 接收機增益隨頻率的變化

Fig. 7 The frequency response of the analog receiver (measured for gain values)

圖8 45 MHz的頻率處1 dB壓縮點測量

Fig.8 The measurement of the 1dB compression point at 45MHz

圖9 接收機的非線性特性

表2 系統(tǒng)接收最小可測靈敏度

從表2可見，當Δf=100 kHz，τ=1 min時，低頻天線陣可以檢測到寧靜太陽的輻射。當提高時間分辨率即積分時間τ=1 s時，只在50 MHz以上才能檢測到寧靜太陽的輻射。

3.2 接收機的動態(tài)范圍

接收機的動態(tài)范圍是衡量接收機性能的一個重要指標。如果輸入信號過大，信號會失真；輸入信號過小，信號會淹沒在接收系統(tǒng)的噪聲中而無法被檢測，所以動態(tài)范圍就是指這個輸入信號功率的最大最小范圍[7]。一般定義為產(chǎn)生1 dB壓縮點的輸入功率與基底噪聲功率之比。輸入端的基底噪聲功率：

式中，B是輸入信號的帶寬。取接收機的中心頻點45 MHz處分析，接收系統(tǒng)的噪聲溫度Tsys=5 394 K，所以輸入端的基底噪聲功率PLNA=-86.6 dBm，由前面的測量得到接收機的1 dB壓縮點為-39.83 dBm。由于信號要大于某規(guī)定的信噪比才能被檢測到，取S/N=5(7 dB)；輸入信號要比IP1 dB有一定的回退才能進入線性區(qū)，也取7 dB的回退。所以接收機的實際動態(tài)范圍DR=-39.83 dBm-7 dB-(-86.6 dBm+7 dB)=32.77 dB。

4 結(jié)束語

低頻射電觀測由于受到電離層和無線電環(huán)境的影響而受到限制。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和處理能力大大提高，為低頻段射電觀測能力的提高和發(fā)展帶來可能。

目前云南天文臺射電研究組的4單元太陽射電天線陣已經(jīng)建成，即將投入對太陽及木星射電爆發(fā)的監(jiān)測。以后，該天線陣將逐步擴大，靈敏度也會逐漸提高。將逐步發(fā)展異地陣列相干技術(shù)，實現(xiàn)具有空間分辨率的觀測能力。這樣的低頻陣列，有望在星系及星系介質(zhì)、宇宙學和再電離時期、銀河系巡天、超高能粒子的探測、脈沖星探測等方面發(fā)揮作用。

[1] 施碩彪, 董亮, 高冠男, 等. 米波太陽射電頻譜儀的科學目標和技術(shù)方案[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2011, 8(3): 229-235. Shi Shuobiao, Dongliang, Gao Guannan, et al. Scientific objectives and technical design of a meter-wave spectrometer for solar radio observation[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2011, 8(3): 229-235.

[2] MacLean D J, Labrum N R. Solar radiophysics: studies of emission from the Sun at metre wavelengths[M]. London: Cambridge University Press, 1985.

[3] Ellingson S W. Receivers for Low-Frequency Radio Astronomy[C]// ASP Conference Series. 2005: 321-336.

[4] Harum M, Ellingson S W. A prototype analog receiver for LWA[EB/OL]. 2007[2014-04-20]. http://www.ece.vt.edu/swe/lwa/memo/lwa0082.pdf.

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[6] Ray P S, Stewart K P, Hicks B C, et al. Specifications of the GASE antennas[EB/OL]. 2006[2014-04-20]. http://www.ece.vt.edu/swe/lwa/memo/lwa0040.pdf.

[7] 姬國樞, 劉玉英, 王威, 等. 世界各國太陽射電望遠鏡概況[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊, 2011, 8(3): 248-254. Ji Guoshu, Liu Yuying, Wang Wei, et al. A review of designs of world’s solar radio telescopes[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2011, 8(3): 248-254.

Design of An Analog Receiver for Solar Radio Observationin the Frequency Range of 30MHz to 65MHz

Guo Shaojie, Wang Min, Dong Liang, Shi Shuobiao

(Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: guosj891025@ynao.ac.cn)

Solar radio radiations mainly come from the corona of the sun, and radio waves in different bands reflect activities in different layers of the corona. Observational studies about solar radio radiations are among the most important approaches to derive physical-parameter values of the corona (e.g., temperature, density, and magnetic-field strength). Decimeter waves come from a corona layer of heights approximately 1 to 2 times of the solar radius above the solar surface, which makes solar radio observations in decimeter waves particularly important in the coronal physics. For example, such studies can be used to monitor propagations of CME (Coronal Mass Ejection) and shock waves in high layers of the corona, and to forecast space weather. Currently, there is a lack of solar radio observations in decimeter waves in China. It is urgent to build Chinese decimeter-wave solar radio telescopes and associated key equipments. A solar radio antenna array working in low-frequency bands has been built in the YNAO (Yunnan Observatories). The array consists of four antennas. It will work with the YNAO 10m solar radio telescope (working in the frequency range of 625MHz to 1500MHz) and 11m solar radio telescope (working in the frequency range of 70MHz to 700MHz), achieving a complete wavelength coverage of coronal radio observation. In this paper we introduce our design of an analog receiver to be installed in the solar radio antenna array of the YNAO. The receiver is to monitor solar radio bursts in decimeter wavelengths corresponding to the frequency range of 30MHz to 65MHz. The analog receiver consists of Baluns, filters, and amplifiers for direct sampling. The performance parameters of the analog receiver meet the requirements for observations: The gain reaches 60dB, the dynamic range is about 33dB, the input third-order intercept point is about -24dBm, and the noise figure is about 4.3dB. We finally calculate the sensitivity limits of the solar radio antenna array with the analog receiver installed.

Dynamic range; Low noise figure; Sensitivity limits

國家自然科學基金 (U1431113, 11173010) 資助.

2014-04-28；修定日期：2014-05-12 作者簡介：郭少杰，男，碩士. 研究方向：天文技術(shù)與方法. Email: guosj891025@ynao.ac.cn

P111.41

A

1672-7673(2015)02-0142-07