在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

紀(jì)奕才，趙博，方廣有*，平勁松，吳偉仁，寧遠(yuǎn)明，盧偉，周斌

（1. 中國(guó)科學(xué)院電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012；4. 探月與航天工程中心 北京 100037）

在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

紀(jì)奕才1,2，趙博1，方廣有1,2*，平勁松3，吳偉仁4，寧遠(yuǎn)明4，盧偉1,2，周斌1

（1. 中國(guó)科學(xué)院電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100012；4. 探月與航天工程中心 北京 100037）

月球具有足夠大的尺寸，能夠有效地遮擋來(lái)自地球的低頻電磁波干擾，因此月球背面是進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè)的最佳場(chǎng)所。本文論述了利用低頻射電頻譜儀在月球背面進(jìn)行空間低頻射電天文觀測(cè)的意義，給出了低頻射電頻譜儀工作原理、科學(xué)探測(cè)目標(biāo)和系統(tǒng)組成。研究了低頻射電頻譜儀的設(shè)計(jì)，并采用低頻射電頻譜儀對(duì)北京中關(guān)村地區(qū)空中低頻電磁波輻射頻譜進(jìn)行了試驗(yàn)探測(cè)，結(jié)果表明：低頻射電頻譜儀能夠清晰地探測(cè)到 0.1~40 MHz 頻帶內(nèi)的廣播電臺(tái)及授時(shí)臺(tái)等發(fā)射的低頻電磁波信號(hào)。

射電天文；低頻射電頻譜儀；月球背面；太陽(yáng)爆發(fā)

0 引 言

宇宙天體起源演化是自然科學(xué)中的基本問(wèn)題之一，可在無(wú)線(xiàn)電波波段使用射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)探究。在低頻射電波段對(duì)來(lái)自太陽(yáng)、行星和其它宇宙天體的電波信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，可為探究這些問(wèn)題做出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。地面射電觀測(cè)中，地球的電離層和磁層等離子體吸收和遮擋了低于10 MHz頻率的外太空電磁波，使得宇宙空間中低頻段的電磁波難以通過(guò)地球的電離層到達(dá)地面，在地球上無(wú)法實(shí)施觀測(cè)。特別地，頻率在0.1～1 MHz的射電天文觀測(cè)即使在空間中的探測(cè)也非常有限，幾乎是天文電磁波譜的一個(gè)空白領(lǐng)域。月球具有足夠大的尺寸，可以有效地遮擋來(lái)自地球的無(wú)線(xiàn)電波（干擾），在月面的夜間，還可以有效地遮擋來(lái)自太陽(yáng)的電波，因此，月球背面是天文界公認(rèn)的觀測(cè)低頻射電天文的最佳場(chǎng)所。在月球背面布設(shè)低頻天線(xiàn)開(kāi)展0.1～40 MHz的低頻射電天文觀測(cè)，將進(jìn)一步開(kāi)創(chuàng)天文觀測(cè)的新領(lǐng)域，將有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙天體演化中的新現(xiàn)象、新規(guī)律。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，空間太陽(yáng)射電探測(cè)漸漸成為一個(gè)持續(xù)的熱點(diǎn)，除RAE-1，RAE-2射電天文專(zhuān)用衛(wèi)星外，WIND，Ulysses等衛(wèi)星也相繼發(fā)射，用于太陽(yáng)射電觀測(cè)，并對(duì)木星和太陽(yáng)系其他大行星低頻射電進(jìn)行了探測(cè)。到1987年止，已有30多顆衛(wèi)星進(jìn)行了太陽(yáng)射電空間觀測(cè)。歐洲航天局（ESA）1997年進(jìn)行了月球背面月面甚低頻射電天文觀測(cè)的研究，并于2015年1月提出了在月球背面著陸的FARSIDE計(jì)劃，計(jì)劃于2025年向月球背面發(fā)射著陸器，在著陸器上搭載用于低頻射電信號(hào)觀測(cè)的射電頻譜儀，并與中繼星搭載的低頻射電頻譜儀進(jìn)行干涉測(cè)量。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)科學(xué)家就提出了星載VLF射電頻譜儀的相關(guān)構(gòu)想，提出了空間甚低頻射電干涉儀成像觀測(cè)方案，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)和電子學(xué)研究所等單位相繼完成了甚低頻太陽(yáng)射電頻譜儀的原理樣機(jī)，完成了利用空間或月基建立射電甚低頻陣列對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行成像觀測(cè)的研究，并對(duì)兩站系統(tǒng)的原理樣機(jī)進(jìn)行了干涉試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。2014年我國(guó)提出了在月球背面著陸的探測(cè)計(jì)劃，并計(jì)劃搭載低頻射電頻譜儀進(jìn)行太陽(yáng)低頻射電觀測(cè)。

利用月球背面的著陸探測(cè)機(jī)會(huì)，布設(shè)低頻射電頻譜儀開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)，對(duì)來(lái)自太陽(yáng)系或宇宙的頻率為0.1～40 MHz的低頻射電輻射進(jìn)行高時(shí)間–頻譜分辨率的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)系和太陽(yáng)系以外宇宙空間低頻輻射電場(chǎng)的觀測(cè)，具有重要的科學(xué)意義。本文論述了低頻射電頻譜儀工作原理、科學(xué)探測(cè)目標(biāo)、系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)以及對(duì)空間中電臺(tái)信號(hào)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

1 工作原理與科學(xué)探測(cè)任務(wù)及意義

宇宙空間中的來(lái)波電場(chǎng)是矢量信號(hào)，根據(jù)矢量理論，來(lái)波電場(chǎng)可以分解為任意相互垂直的三個(gè)電場(chǎng)分量。因此，只要將這三個(gè)電場(chǎng)分量分別接收下來(lái)，根據(jù)電磁波傳播理論，通過(guò)對(duì)三分量電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的后期分析和處理就可以獲得整個(gè)來(lái)波電場(chǎng)的強(qiáng)度和極化特性，并可以獲得電場(chǎng)的頻譜、時(shí)變等信息。另外，利用三分量電場(chǎng)的幅度和相位，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，還可以獲得空間來(lái)波電場(chǎng)的波達(dá)角。

因此，低頻射電頻譜儀采用三分量有源天線(xiàn)單元A、B、C接收太陽(yáng)爆發(fā)和宇宙空間來(lái)波電場(chǎng)信號(hào)相互垂直的三個(gè)分量，并通過(guò)對(duì)三分量電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理可獲得低頻電場(chǎng)的強(qiáng)度、頻譜、時(shí)變、偏振特性、來(lái)波方位等信息。

著陸器低頻射電頻譜儀安裝在“嫦娥4號(hào)”著陸器上，將搭載“嫦娥4號(hào)”探測(cè)器在月球背面著陸并進(jìn)行工作，其科學(xué)探測(cè)任務(wù)主要是在月晝期間對(duì)太陽(yáng)低頻射電特征進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)太陽(yáng)II型III型射電爆發(fā)、日冕高層的百米波和千米波爆發(fā)和輻射特性，并利用月表電離層太陽(yáng)爆發(fā)電場(chǎng)的截止特性，對(duì)著陸區(qū)上空的電離層等離子頻率及其變化特性、機(jī)制進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

同時(shí)，還可以對(duì)來(lái)自太陽(yáng)系行星和太陽(yáng)系以外宇宙空間低頻輻射電場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。例如：觀測(cè)研究來(lái)自木星等太陽(yáng)系行星的低頻射電爆發(fā)；觀測(cè)研究銀河系低頻大尺度高分辨率輻射特性；探測(cè)強(qiáng)脈沖星低頻射電輻射特性。除此之外，還有機(jī)會(huì)探測(cè)繪制銀河系空間在著陸區(qū)可見(jiàn)區(qū)域及干涉可見(jiàn)區(qū)域電離氫的分布，揭示與甚低頻輻射關(guān)聯(lián)的超新星遺跡演化特征和宇宙線(xiàn)產(chǎn)生機(jī)制；觀測(cè)來(lái)自河外星系的甚低頻輻射，約束宇宙演化模式和再電離發(fā)生的時(shí)間；檢測(cè)Askaryan效應(yīng)產(chǎn)生的超高能宇宙線(xiàn)如中微子轟擊月球表面的甚低頻輻射事件，并通過(guò)干涉測(cè)量確定事件發(fā)生的位置。

圖 1 低頻射電頻譜儀三分量接收天線(xiàn)Fig. 1 Tripole antenna of the very low frequency radio spectrometer

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)探測(cè)任務(wù)，對(duì)低頻射電頻譜儀進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)組成及與著陸器綜合電子系統(tǒng)之間的接口關(guān)系如圖 2所示。低頻射電頻譜儀主要由電子學(xué)單元、前置放大器、三根接收天線(xiàn)、電纜組件等部分組成，其中電子學(xué)單元由控制器、配電器、基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊、多通道接收機(jī)、內(nèi)定標(biāo)組件、通訊接口、數(shù)傳接口等組成。

圖 2 低頻射電頻譜儀系統(tǒng)組成Fig. 2 System of the very low frequency radio spectrometer

低頻射電頻譜儀主要完成如下功能：與著陸器數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)接收著陸器的數(shù)據(jù)注入，并將工程參數(shù)和遙測(cè)參數(shù)傳送至著陸器；控制內(nèi)定標(biāo)組件對(duì)接收機(jī)進(jìn)行內(nèi)定標(biāo)，采集遙測(cè)信號(hào)和接收機(jī)輸出信號(hào)；對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、組織與存儲(chǔ)等。配電器對(duì)著陸器提供的母線(xiàn)電源進(jìn)行處理，并產(chǎn)生低頻射電頻譜儀所需的各類(lèi)二次電源。通訊接口模塊與著陸器進(jìn)行通訊。數(shù)傳接口通過(guò)LVDS數(shù)據(jù)總線(xiàn)與著陸器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊用于產(chǎn)生低頻射電頻譜儀所需的精準(zhǔn)時(shí)鐘基準(zhǔn)。多通道接收機(jī)對(duì)天線(xiàn)輸出的信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、濾波、增益控制，然后送至控制器上的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。內(nèi)定標(biāo)組件產(chǎn)生標(biāo)定信號(hào)，并輸出至接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在控制器的控制下可以實(shí)現(xiàn)低頻射電頻譜儀的內(nèi)定標(biāo)功能。

低頻射電頻譜儀主要性能指標(biāo)要求如表 1所示。

表 1 低頻射電頻譜儀的主要性能指標(biāo)要求Table 1 Performance requirements of very low frequency radio spectrometer

2.1 控制器

低頻射電頻譜儀控制器由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、通訊接口模塊、遙測(cè)電路模塊、電源模塊、FPGA及數(shù)據(jù)處理模塊組成，組成框圖如圖 3所示。

圖 3 低頻射電頻譜儀控制器組成框圖Fig. 3 Block diagram of the VLFRS controller

低頻射電頻譜儀控制器控制和實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)的所有工作時(shí)序，監(jiān)測(cè)低頻射電頻譜儀的工作狀態(tài)，主要完成如下功能：與著陸器數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)注入并將科學(xué)數(shù)據(jù)、工程參數(shù)和遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行打包封裝，按照協(xié)議要求配合讀取數(shù)據(jù)包及子系統(tǒng)的校時(shí)等任務(wù)；控制內(nèi)定標(biāo)組件、轉(zhuǎn)換接收機(jī)輸出信號(hào)模數(shù)、產(chǎn)生內(nèi)定標(biāo)信號(hào)、實(shí)時(shí)處理射電信號(hào)、采集遙測(cè)信號(hào)、組織和存儲(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)和工程參數(shù)等功能?？刂破鞯闹饕O(shè)計(jì)參數(shù)如下。

1）模擬輸入信號(hào)范圍：2 Vpp；

2）采樣時(shí)間分辨率：10 ns；

3）模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)：14 bit；

4）數(shù)據(jù)傳輸率：不超過(guò)5 Mbit/s

2.2 接收機(jī)

低頻射電頻譜儀接收機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等波形的調(diào)理功能，使得接收到的模擬信號(hào)可以被后端ADC模塊采集。接收機(jī)分為三路接收，用于三分量信號(hào)的調(diào)理及采集。接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)如表 2所示。

表 2 接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of the VLFRS receivers

如圖 4所示，接收機(jī)具有3個(gè)模擬通道，每個(gè)通道的模擬部分由前端低通濾波器、運(yùn)放、數(shù)控衰減器、兩級(jí)低噪放和后端低通濾波器等部分組成，接收機(jī)前端帶寬為40 MHz?？刂破魃系腁DC對(duì)模擬部分的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)40 MHz內(nèi)低頻射電信號(hào)的接收，接收機(jī)靈敏度為6 nV/Hz1/2，動(dòng)態(tài)范圍為86 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

在頻譜接收模式下，接收機(jī)完成一次完整的頻譜掃描總數(shù)據(jù)量約為82 Kb，每隔1 s采集一道完整頻譜，具體掃描時(shí)長(zhǎng)取決于積分時(shí)間，因此頻譜接收模式下低頻射電接收機(jī)的數(shù)據(jù)率約為82 Kbps。在時(shí)域波形接收模式下，需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，為降低數(shù)據(jù)量，僅接收單個(gè)通道的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率約為4.8 Mbps。

圖 4 接收機(jī)前端模擬電路Fig. 4 Analog circuit of the receiver front-end

2.3 內(nèi)定標(biāo)模塊

內(nèi)定標(biāo)模塊用于接收機(jī)幅頻特性的定標(biāo)，采用的技術(shù)方案是利用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源，產(chǎn)生定標(biāo)信號(hào)，通過(guò)一分三功分器傳輸給三通道接收機(jī)進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)信號(hào)與接收信號(hào)之間的切換，分別通過(guò)三路功分器以及模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在切換為內(nèi)定標(biāo)通路時(shí)，實(shí)現(xiàn)接收通道的環(huán)回測(cè)試，由此得到接收機(jī)模擬前端的幅頻特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收通道傳輸特性變化的相對(duì)測(cè)量，為頻譜儀數(shù)據(jù)后處理提供接收通道誤差補(bǔ)償用的定標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.4 基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊

基準(zhǔn)時(shí)鐘模塊是低頻射電頻譜儀的一個(gè)重要單元，其功能是產(chǎn)生各種高穩(wěn)定度的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。這些信號(hào)供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和FPGA等單元做時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘模塊內(nèi)部有恒溫晶振，可產(chǎn)生100 MHz時(shí)鐘，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行必要的處理后輸出至控制器。低頻射電頻譜儀要求本振系統(tǒng)具有很高的相位穩(wěn)定性，這種高穩(wěn)定度的本振通過(guò)恒溫晶振來(lái)獲得的，要求其頻率穩(wěn)定度達(dá)到10–11（秒穩(wěn)）量級(jí)，飄移率達(dá)到10–9（天穩(wěn)）量級(jí)。恒溫晶振的電性能指標(biāo)為：

晶振頻率：100 MHz ± 0.02 kHz

溫度頻差：優(yōu)于 ±50 ppb（在–20～60 ℃內(nèi)）

短期頻率穩(wěn)定度：≤ ±0.02 ppb（1 s）

日老化：≤ 5 ppb

輸出阻抗：50 Ω

雜波抑制：≤ –75 dBc

2.5 有源接收天線(xiàn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)低頻射電頻譜儀的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，低頻射電頻譜儀天線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足工作頻帶寬、質(zhì)量輕、體積小、易于安裝、耐高低溫等技術(shù)要求。其技術(shù)指標(biāo)如表 3所示。

表 3 有源天線(xiàn)技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical specifications of the active antenna

2.5.1 天線(xiàn)原理與實(shí)現(xiàn)方案

為了實(shí)現(xiàn)空間矢量電場(chǎng)的接收和輻射源的空間定位，低頻射電頻譜儀接收天線(xiàn)采用三分量陣列形式，綜合考慮，選用單極子天線(xiàn)作為三分量陣列的天線(xiàn)單元（具有重量輕、易于收攏等特點(diǎn)，適用于航天探測(cè)任務(wù)）。低頻射電頻頻儀的工作頻率跨越LF、MF、HF及VHF四個(gè)頻段，波長(zhǎng)從3 km變化到7.5 m，只有采用有源天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)，才能滿(mǎn)足帶寬大、重量輕、體積小等要求。

當(dāng)空間中的來(lái)波電場(chǎng)平行于天線(xiàn)的分量為E1，則天線(xiàn)接收到的電壓為

可見(jiàn)，單極子天線(xiàn)的接收空間來(lái)波電場(chǎng)能力與天線(xiàn)有效長(zhǎng)度成正比。但天線(xiàn)的長(zhǎng)度并不是越長(zhǎng)越好，因?yàn)閱螛O子天線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)0.5波長(zhǎng)時(shí)，天線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)反向電流，使天線(xiàn)方向圖出現(xiàn)副瓣。天線(xiàn)的長(zhǎng)度大于0.7波長(zhǎng)時(shí)，單極子天線(xiàn)的最大接收方向就會(huì)偏離θ = 90°方向。因此，當(dāng)天線(xiàn)的工作頻帶為0.1～40 MHz時(shí)，考慮最高頻率40 MHz的波長(zhǎng)為7.5 m，因此，取天線(xiàn)長(zhǎng)度為5.0 m。這樣，既可以提高頻率低端的接收電壓，又可以保證整個(gè)頻帶內(nèi)天線(xiàn)的最大接收方向都在θ = 90°方向，便于太陽(yáng)爆發(fā)和宇宙空間來(lái)波電場(chǎng)的分析和處理。

長(zhǎng)度為5 m、橫截面直徑30 mm的單極天線(xiàn)，垂直放置在著陸器模型上，其輸入阻抗仿真結(jié)果隨頻率的變化關(guān)系如圖 5所示。從圖中可以看出，天線(xiàn)的輸入阻抗在低頻段內(nèi)主要呈容性。

圖 6給出了5 m長(zhǎng)的單極子在不同頻點(diǎn)處的輻射方向圖。從圖中可以看出，在全頻段內(nèi)天線(xiàn)的輻射方向圖為∞字形，且隨方位角和頻率的變化較小，但在高頻段，方向圖開(kāi)始發(fā)生輕微的變形。

圖 5 5 m長(zhǎng)天線(xiàn)的輸入阻抗Fig. 5 Input impedance of the 5 m long antenna

圖 6 單極子天線(xiàn)的輻射方向圖Fig. 6 Radiation pattern of the monopole antenna

2.5.2 前置放大器設(shè)計(jì)

低頻射電頻譜儀接收天線(xiàn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5 m，在低頻段，由于天線(xiàn)的輻射阻抗較小，因此其輻射效率較低，如果再考慮輸入端口的失配損耗，則天線(xiàn)的增益將更低。為了實(shí)現(xiàn)接收天線(xiàn)的寬頻帶工作，一般的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿(mǎn)足這樣的要求，通常采用前置放大電路實(shí)現(xiàn)全頻帶內(nèi)的阻抗匹配，同時(shí)對(duì)其低頻增益進(jìn)行補(bǔ)償。有源天線(xiàn)組成如圖 7所示，圖中虛線(xiàn)部分即為前置放大器，其內(nèi)部的匹配網(wǎng)絡(luò)一般由晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。

圖 7 有源天線(xiàn)組成框圖Fig. 7 Block diagram of the active antenna

圖 7所示的有源天線(xiàn)放大網(wǎng)絡(luò)中通常采用三級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的匹配與接收信號(hào)的放大。第一級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)源天線(xiàn)與后級(jí)放大電路之間的匹配，通常需要較高的輸入阻抗和較高的輸出阻抗；第二級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的放大，通常需要較高的輸入阻抗和較高的輸出阻抗；第三級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前端放大電路與后端接收機(jī)之間的匹配，通常需要較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗。當(dāng)有源放大網(wǎng)絡(luò)的放大倍數(shù)要求較低，且系統(tǒng)噪聲要求較高時(shí)，可以將前兩級(jí)合并，采用兩級(jí)放大電路的方式實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的有源放大。

天線(xiàn)連接有源前置放大器后，稱(chēng)之為有源接收天線(xiàn)。有源接收天線(xiàn)的等效電路如圖 8所示，電路中的電壓源Ua決定于無(wú)源天線(xiàn)的有效長(zhǎng)度和空間電場(chǎng)強(qiáng)度，有源天線(xiàn)的輸出電壓可表示為

其中：Za和Zi分別為天線(xiàn)阻抗和前置放大器的輸入阻抗；AV為前置放大器的放大倍數(shù)。

圖 8 有源天線(xiàn)的等效電路Fig. 8 Equivalent circuit of the active antenna

天線(xiàn)的阻抗在低頻段主要呈容性，有源天線(xiàn)的輸出電壓可簡(jiǎn)化為

式中：Ca為天線(xiàn)電容；Ci為前置放大器輸入電容。由式（3）可知，為了在低頻段獲得較好的接收靈敏度，必須使得前置放大器的輸入電容盡可能小，才能獲得好的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)無(wú)源天線(xiàn)與接收機(jī)的良好匹配。根據(jù)上述分析，前置放大器在選擇器件時(shí)要選擇結(jié)電容較小的場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管，盡量減小前置放大器的輸入電容。此外，無(wú)源天線(xiàn)與前置放大器之間的饋線(xiàn)長(zhǎng)度要盡量短，當(dāng)饋線(xiàn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，饋線(xiàn)與平臺(tái)之間會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電容，進(jìn)而引起前置放大器輸入電容明顯增加，降低天線(xiàn)的效率。前置放大器的增益則需根據(jù)系統(tǒng)探測(cè)要求來(lái)決定，需要保證天線(xiàn)能夠達(dá)到預(yù)定的接收靈敏度。前置放大器要求具有很低噪聲，選擇合適的場(chǎng)效應(yīng)管，其等效輸入噪聲可低至6 nV/Hz1/2。

2.5.3 三分量天線(xiàn)安裝要求

低頻射電頻譜儀天線(xiàn)共有三副，分別為接收天線(xiàn)A、接收天線(xiàn)B和接收天線(xiàn)C，三副天線(xiàn)均由前置放大器進(jìn)行饋電。三副天線(xiàn)與前置放大器均安裝于著陸器頂板上側(cè)，其中接收天線(xiàn)A、B、C兩兩之間相互垂直。三副接收天線(xiàn)在探測(cè)器發(fā)射時(shí)處于收攏壓緊狀態(tài)，當(dāng)著陸器在月面安全著陸后，通過(guò)地面指令將天線(xiàn)釋放展開(kāi)，天線(xiàn)展開(kāi)狀態(tài)如圖 1所示。前置放大器安裝于接收天線(xiàn)A、B、C的附近。

低頻射電頻譜儀三副接收天線(xiàn)分別用于接收來(lái)自太陽(yáng)爆發(fā)和宇宙空間的低頻電場(chǎng)矢量信號(hào)的三個(gè)分量，然后合成電場(chǎng)矢量的幅度，因此要求三副接收天線(xiàn)相互垂直。由于低頻射電頻譜儀天線(xiàn)展開(kāi)后天線(xiàn)桿長(zhǎng)度為5 m，月球重力約為地球的1/6，所以，天線(xiàn)桿的末端會(huì)受月球重力影響而下垂。為保證接收電場(chǎng)信號(hào)的準(zhǔn)確性，要求天線(xiàn)末端下垂的角度小于3°。

3 樣機(jī)研制與測(cè)試結(jié)果

完成了低頻射電頻譜儀的方案設(shè)計(jì)及原理樣機(jī)的研制（見(jiàn)圖9）。樣機(jī)接收靈敏度為8.9 nV/Hz1/2，動(dòng)態(tài)范圍為77 dB，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。產(chǎn)品照片如圖 10所示。

為了驗(yàn)證低頻射電頻譜儀的探測(cè)性能，低頻射電頻譜儀安裝在中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所東配樓樓頂，三副接收天線(xiàn)按照相互垂直方式安裝在金屬板上，如圖 10所示。采用低頻射電頻譜儀對(duì)北京中關(guān)村地區(qū)空間中的低頻輻射電磁波頻譜進(jìn)行了探測(cè)，圖 11～13給出了三個(gè)通道的探測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出，低頻射電頻譜儀能夠清晰地探測(cè)到0.1～40 MHz頻帶內(nèi)的廣播電臺(tái)信號(hào)、授時(shí)臺(tái)信號(hào)（5 MHz、10 MHz、15 MHz）等低頻電磁波輻射信號(hào)。

圖 9 低頻射電頻譜儀組成單元的照片F(xiàn)ig. 9 Photos of the components of VLFRS

圖 10 低頻射電頻譜儀安裝在樓頂進(jìn)行空間電磁波接收試驗(yàn)的照片F(xiàn)ig. 10 Photo of VLFRS installed on the rooftop to receive space electromagnetic waves

圖 11 天線(xiàn)A接收到的低頻電磁波頻譜Fig. 11 Spectrums of low frequency electromagnetic wave received by antenna A

圖 12 天線(xiàn)B接收到的低頻電磁波頻譜Fig. 12 Spectrums of low frequency electromagnetic wave received by antenna B

圖 13 天線(xiàn)C接收到的低頻電磁波頻譜Fig. 13 Spectrums of low frequency electromagnetic wave received by antenna C

4 結(jié)束語(yǔ)

在月球背面利用低頻射電頻譜儀進(jìn)行太陽(yáng)射電天文觀測(cè)，能夠?qū)μ?yáng)爆發(fā)的低頻射電特征進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)著陸區(qū)上空的電離層等離子頻率及其變化特性、機(jī)制進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。本文研究了低頻射電頻譜儀的關(guān)鍵技術(shù)，給出了低頻射電頻譜儀工作原理、科學(xué)探測(cè)目標(biāo)、系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)以及對(duì)空間中電臺(tái)信號(hào)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。利用月球背面的著陸探測(cè)機(jī)會(huì)，布設(shè)低頻射電天線(xiàn)開(kāi)展低頻射電天文觀測(cè)，將進(jìn)一步開(kāi)創(chuàng)天文觀測(cè)的新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)系和太陽(yáng)系以外宇宙空間低頻射電信號(hào)的觀測(cè)，填補(bǔ)0.1～10 MHz低頻射電天文方面的科學(xué)空白。

致謝：

本文的研究工作由國(guó)家探月工程二期“嫦娥4號(hào)”任務(wù)項(xiàng)目支持。

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方廣有（1963– ），男，研究員，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：超寬帶雷達(dá)成像理論與方法、探地雷達(dá)技術(shù)、地下資源電磁勘探技術(shù)、月球/火星探測(cè)雷達(dá)技術(shù)、超寬帶天線(xiàn)理論與技術(shù)、左手材料、THz成像技術(shù)等。

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Key Technologies of Very Low Frequency Radio Observations on the Lunar Far-Side

JI Yicai1,2，ZHAO Bo1，F(xiàn)ANG Guangyou1,2*，PING Jinsong3，WU Weiren4，NING Yuanming4，LU Wei1,2，ZHOU Bin1
（1. Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology，Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3. National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China；4. Lunar Exploration and Space Program Center，Beijing 100037，China）

The Moon has a large size，which can effectively block the low-frequency electromagnetic interference from the Earth，so the lunar far-side is the best place for low-frequency radio astronomical observation. In this paper，the significance of using a very low frequency radio spectrometer（VLFRS）for the low frequency radio astronomical observation on the back of the moon is discussed. And the goals，as well as the basic principles，design，composition and achievements of the VLFRS are described. Finally，experiments on the radiation spectrum of low frequency electromagnetic wave in Zhongguancun area，Beijing are analyzed. The results show that the low frequency radio signals in the 0.1~40MHz band, which are emitted by the radio stations and the time-service centers, can be clearly detected by the VLFRS.

radio astronomical observation；very low frequency radio spectrometer；lunar far side；Solar burst

P161

A

2095-7777（2017）02-0150-08

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.008

紀(jì)奕才（1974– ），男，研究員，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：超寬帶雷達(dá)成像理論與方法、月球/火星探測(cè)雷達(dá)技術(shù)、超寬帶天線(xiàn)、電磁兼容等。

[責(zé)任編輯：宋宏，英文審校：朱魯青]

紀(jì)奕才，趙博，方廣有，等. 在月球背面進(jìn)行低頻射電天文觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（2）：150-157.

Reference format: Ji Y C，Zhao B，F(xiàn)ang G Y，et al. Key technologies of very low frequency radio observations on the lunar far side [J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（2）：150-157.

2017-03-13

2017-03-28