專利名稱：應(yīng)用準(zhǔn)光傳輸方式的毫米波射電日像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)時(shí)的射電信號(hào)傳輸方式及相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)、屬射電天文技術(shù)和準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有的射電日像儀是將天線陣中的每一個(gè)天線所接收到的射電信號(hào)先經(jīng)高頻放大，再進(jìn)行諧波混頻，然后將變頻后的中頻信號(hào)送到相關(guān)處理器。為了獲得相關(guān)的本振信號(hào)，現(xiàn)有的技術(shù)是每一路接收機(jī)使用一個(gè)鎖相本振源系統(tǒng)、并且所有這些鎖相本振源系統(tǒng)都要使用同一個(gè)參考信號(hào)。因此，采用這種現(xiàn)有技術(shù)時(shí)，射電日像儀中的每一個(gè)天線的接收系統(tǒng)都需要使用多根電纜與后端設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)距離連接。為了減少電纜引入的相位不穩(wěn)定因素，這許多路信號(hào)都必須使用長(zhǎng)距離光纜替代電纜，并且所有這些光纜都必須埋在地下一米多深。這樣，射電日像儀中的每一個(gè)單元天線就需要7根光纖、其中4根是用來(lái)傳輸中頻信號(hào)的，2根用來(lái)傳輸本振參考信號(hào)，另外一根光纖則是用來(lái)進(jìn)行控制。因此，單就射電日像儀光纖傳輸系統(tǒng)而言、造價(jià)費(fèi)用就高達(dá)1170萬(wàn)美元。
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)采用圓陣排列的天線單元直接把射頻信號(hào)通過(guò)空間傳輸電磁波的方式傳輸至圓陣中央，在圓陣中央對(duì)所有天線單元來(lái)的射電信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，只使用一個(gè)鎖相本振系統(tǒng)，采用注入鎖定方式替代鎖相環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明將本申請(qǐng)人申請(qǐng)的“98226477.1”和“98226478.X”實(shí)用新型專利具體應(yīng)用于本發(fā)明系統(tǒng)中，其具體技術(shù)方案是本發(fā)明由天線陣及其伺服系統(tǒng)、鎖相本振信號(hào)源系統(tǒng)、混頻器、中頻放大器、接收機(jī)及相關(guān)處理系統(tǒng)等配合連接而成，其特征是上述系統(tǒng)中的N(N為陣列的單元數(shù))個(gè)天線單元以圓周形式排列構(gòu)成天線圓陣、圓形天線陣中每一個(gè)天線單元含偏置拋物面反射器、活動(dòng)平面反射器、曲面導(dǎo)體截面，N個(gè)偏置拋物面反射器沿圓周排列在最外圈離地平一定高度上，偏置拋物面反射器的輸出口面朝下并與水平面平行，在每個(gè)偏置拋物面反射器輸出口面正下方的地面上設(shè)置一個(gè)活動(dòng)平面反射器，該平面反射器的中心點(diǎn)位于偏置拋物面反射器輸出口面的中心線上，此平面反射器采用地平座架結(jié)構(gòu)或赤道座架結(jié)構(gòu)、且此平面反射器的方位角與天頂角或時(shí)角與赤緯由伺服系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)。N塊活動(dòng)平面反射器的方位角與天頂角或時(shí)角與赤緯的調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)程序控制聯(lián)動(dòng)，在一定半徑的內(nèi)圓周上，沿圓周設(shè)置N個(gè)雙焦點(diǎn)的曲面導(dǎo)體截面，數(shù)量與外圈上的偏置拋物面反射器相同并一一對(duì)應(yīng)，曲面導(dǎo)體截面的其中一個(gè)焦點(diǎn)與偏置拋物面的焦點(diǎn)重合，天線饋源安裝在各個(gè)曲面導(dǎo)體截面的另一個(gè)焦點(diǎn)上，偏置拋物面的焦點(diǎn)及中心射線與曲面導(dǎo)體截面的二個(gè)焦點(diǎn)及中心射線以及饋源的相位中心及饋源中心軸線在同一水平面內(nèi)，偏置拋物面的中心射線與曲面導(dǎo)體截面的中心射線重合，曲面導(dǎo)體截面的另一中心射線與饋源的中心軸線重合，在天線饋源后面安置混頻器、中頻放大器和接收機(jī)以及鎖相本振系統(tǒng)、相關(guān)處理系統(tǒng)。在曲面導(dǎo)體截面的反射波束方向上可安裝一塊平面固定反射器，該平面反射器的位置應(yīng)使其反射的波束與曲面導(dǎo)體截面的入射波束平行，天線饋源安裝在各個(gè)曲面導(dǎo)體截面的平面固定反射器一方的一個(gè)焦點(diǎn)上，曲面導(dǎo)體截面的中心射線與平面固定反射器的中心射線重合，平面固定反射器的中心反射線與饋源的中心軸線重合，平面固定反射器的中心入射線及反射線與偏置拋物面的焦點(diǎn)及中心射線、曲面導(dǎo)體截面的二個(gè)焦點(diǎn)及中心射線以及饋源的相位中心及中心軸線在同一水平面內(nèi)。鎖相本振系統(tǒng)含鎖相源功率分配器，放大器、倍頻器及被控本機(jī)振蕩器，采用基波注入鎖定諧波提取方式先在一個(gè)較低的頻率上獲得一個(gè)低相位噪聲的參考注入信號(hào)，然后將這信號(hào)用功率分配器等分成N路輸出，沿圓周方向分配給陣中各單元，每一路的信號(hào)去注入鎖定比它高整數(shù)倍的被控本機(jī)振蕩器。天線饋源、鎖相本振源、功率分配器、混頻器，中頻放大器、接收機(jī)以及相關(guān)處理器和它們之間的連接饋線均設(shè)置在圓陣中央?yún)^(qū)的溫控室內(nèi)。
附圖及實(shí)施例

圖1為以圓陣形式排列的單元天線傳輸信號(hào)示意圖；圖2為多個(gè)天線單元由外圓向圓陣中央傳輸?shù)姆绞郊捌湎鄳?yīng)設(shè)備；圖3為以圓陣形式排列的單元天線傳輸信號(hào)示意圖(有平面固定反射器的)；圖4為多個(gè)天線單元由外圓向圓陣中央傳輸?shù)姆绞郊捌湎鄳?yīng)設(shè)備(有平面固定反射器的)；圖5為射電信號(hào)與本振信號(hào)的混頻示意圖；圖6為注入鎖定本振源系統(tǒng)的電原理框圖。
參看圖1-4，天線陣呈圓陣排列，外圓周上可排列N個(gè)離地面一定高度的偏置拋物面反射器2(可均布排列，也可非均布排列)，偏置拋物面的輸出口面朝下并與水平面平行。設(shè)活動(dòng)平面反射器為圓形，則過(guò)圓心的平面反射器的法線方向我們定義為活動(dòng)平面反射器的空間指向。太陽(yáng)的位置是隨時(shí)間變化的，但N個(gè)活動(dòng)平面反射器都應(yīng)用光學(xué)定天鏡原理始終將來(lái)自太陽(yáng)的射電信號(hào)反射至天頂方向(與水平面垂直的方向)，如果太陽(yáng)的位置為方位角A，天頂角Z(或俯仰角H)，則N個(gè)活動(dòng)平面反射器均采用地平座架結(jié)構(gòu)時(shí)，它們的空間指向由伺服系統(tǒng)保證都為方位角A，天頂角Z/2。N個(gè)活動(dòng)平面反射器也可采用赤道座架結(jié)構(gòu)，設(shè)太陽(yáng)的位置為時(shí)角t和赤緯δ，觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度為φ，則地平座標(biāo)與赤道座標(biāo)間的變換關(guān)系是CosZ＝SinH＝Sinφ，Sinδ+Cosφ·Cosδ·CostSinA＝Cosδ，SecH·SintCosA＝SecH·(Sinφ·Cosδ-Cosφ·Sinδ)N個(gè)活動(dòng)平面反射器的方位角以正南偏西來(lái)定義，正南為方位零參考點(diǎn)(起始點(diǎn))，天頂角以指向天頂時(shí)為零參考點(diǎn)(起始點(diǎn))。當(dāng)毫米波射電日像儀跟蹤太陽(yáng)時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)使N個(gè)活動(dòng)平面反射器同時(shí)跟蹤太陽(yáng)，即在跟蹤太陽(yáng)時(shí)，地平座架需要按照上述預(yù)先算好的太陽(yáng)運(yùn)行的位置隨時(shí)調(diào)整N個(gè)活動(dòng)平面反射器方位角和天頂角，這可以由伺服系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成。N個(gè)活動(dòng)平面反射器的方位角與天頂角或時(shí)角與赤緯的調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)控制聯(lián)動(dòng)，以保證每塊反射器都能始終將來(lái)自太陽(yáng)的射電信號(hào)同時(shí)反射至天頂方向(與水平面垂直的方向)。圓陣的外圓直徑根據(jù)射電日像儀所要求的空間分辨率選取，同時(shí)確定了圓陣的中心點(diǎn)，根據(jù)所要求的天線單元個(gè)數(shù)及天線單元間距，在圓陣外圓周上確定多個(gè)偏置拋物面天線的位置。在距離圓陣中心一定距離的內(nèi)圓周上，排列N個(gè)雙焦點(diǎn)的曲面導(dǎo)體截面3(可以是橢球截面或雙曲截面)，曲面導(dǎo)體截面3的數(shù)量與外圓周上排列的偏置拋物面2的數(shù)量相同且一一對(duì)應(yīng)，并在各個(gè)曲面導(dǎo)體截面3的出射波束方向安裝平面固定反射器4(圖3，4)，它的作用是將信號(hào)波束偏轉(zhuǎn)一個(gè)方向(如不設(shè)平面固定反射器4，則需在天線饋源后面設(shè)置連接彎波導(dǎo)與混頻器進(jìn)行連接(如圖1，2)，內(nèi)外圓周上排列的各個(gè)器件之間的位置要求如前所述。天線饋源5安裝在曲面導(dǎo)體截面3的平面固定反射器一方的焦點(diǎn)位置上。在天線饋源5的后面設(shè)置混頻器8、中頻放大器9和接收機(jī)10，在圓陣中央安置鎖相本振系統(tǒng)輸出至混頻器8，上述系統(tǒng)設(shè)備的布置，構(gòu)成超外差式接收機(jī)，將射頻信號(hào)(RF)和本振信號(hào)(LO)送入混頻器8內(nèi)，變頻后經(jīng)中頻放大器9進(jìn)入接收機(jī)10(如圖5)，在圓陣中央進(jìn)行相關(guān)處理。如圖6方框所示，鎖相本振系統(tǒng)含鎖相源6、功率分配器7、放大器11、倍頻器12、被控本機(jī)振蕩器13，先在一個(gè)較低的頻率上(12GHz)，獲得一個(gè)低相位噪聲的參考注入信號(hào)，然后將這參考信號(hào)沿圓周等分成N路，每路信號(hào)經(jīng)二次倍頻及放大后去注入鎖定頻率比它高整數(shù)倍的被控本機(jī)振蕩器。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下當(dāng)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，太陽(yáng)所發(fā)出的射電信號(hào)經(jīng)平面旋轉(zhuǎn)反射器1反射后，被偏置拋物面天線2接收，并聚焦于焦平面，然后該射電信號(hào)繼續(xù)向圓內(nèi)傳播至曲面導(dǎo)體截面3，并將該射電信號(hào)再次聚焦，并由平面固定反射器4轉(zhuǎn)向后被饋源5接收進(jìn)入混頻器8，鎖相本振信號(hào)也進(jìn)入混頻器8，二組信號(hào)經(jīng)混頻器變頻后由中放至接收機(jī)，各單元接收機(jī)輸出至圓陣中央進(jìn)行相關(guān)處理。作為一個(gè)實(shí)施例，圓陣外圓周半徑R＝210米，內(nèi)圓周半徑R＝5米，中頻IF采用高中頻方案，第一中頻可用4GHz，中頻放大器采用該波段的高增益低噪聲放大器。偏置拋物面天線輸出口面離活動(dòng)平面反射器的高度及活動(dòng)平面反射器的大小(直徑)參照98226477.1實(shí)用新型專利申請(qǐng)，曲面導(dǎo)體截面及天線饋源和平面固定反射器的參數(shù)選取參照98226478.X實(shí)用新型專利申請(qǐng)以及有關(guān)的準(zhǔn)光學(xué)計(jì)算公式。
本發(fā)明與現(xiàn)有射電日像儀相比較，有以下優(yōu)點(diǎn)及效果1、采用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)從圓陣上的每一個(gè)單元天線直接將射頻信號(hào)通過(guò)空間傳輸，射電信號(hào)的傳輸損耗很低，相位穩(wěn)定度高。
2、天線饋源5，混頻器8、中放9、接收機(jī)10和相關(guān)處理器系統(tǒng)以及鎖相本振系統(tǒng)6、7、11、12、13都位于圓陣中央。這樣，所有接收機(jī)的本振參考信號(hào)都可以完全采用注入鎖定方式，因此，實(shí)現(xiàn)所有接收機(jī)的本振信號(hào)的相關(guān)就變得既方便又可行?，F(xiàn)有技術(shù)必須每一路接收機(jī)使用一個(gè)鎖相本振源，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴。
3、射電信號(hào)統(tǒng)一被傳輸?shù)綀A陣中央接收和處理。接收機(jī)與相關(guān)處理器之間距離很近，完全可以使用很短的電纜進(jìn)行連接，因而安裝和施工簡(jiǎn)便。
4、本發(fā)明的傳輸線相對(duì)于現(xiàn)有射電日像儀的10000米長(zhǎng)傳輸線，只有幾米長(zhǎng)，因而安裝和施工費(fèi)用大大降低、只有現(xiàn)有射電日像儀傳輸系統(tǒng)的1/100左右。
5、射電信號(hào)被統(tǒng)一傳輸?shù)綀A陣中央接收和處理，接收設(shè)備和傳輸線可以被安置在一個(gè)天文圓堡內(nèi)，在天文圓堡內(nèi)使用溫控環(huán)境可以進(jìn)一步大大提高射電信號(hào)的相位穩(wěn)定性，也便于維修和管理。
6、本發(fā)明的所有接收機(jī)，相關(guān)處理器以及中頻，本振系統(tǒng)都設(shè)置于一個(gè)天文圓堡內(nèi)，溫控環(huán)境下傳輸線采用電纜即可滿足性能要求，而現(xiàn)有技術(shù)對(duì)傳輸線的性能要求相當(dāng)苛刻，它要求在-10℃至20℃溫度范圍內(nèi)，傳輸線的溫度系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.2ppm/℃，而且傳輸線必須埋于地下一米多深。
7、射電望遠(yuǎn)鏡中最容易產(chǎn)生相位變化的就是傳輸線溫度變化而引起的電長(zhǎng)度變化。本發(fā)明系統(tǒng)在室外沒(méi)有傳輸線，在室內(nèi)使用溫控環(huán)境因而不受氣候溫度的影響，而現(xiàn)有射電日像儀因室外部分傳輸線長(zhǎng)達(dá)幾十米至幾千米，由傳輸線的溫度系數(shù)引起的傳輸信號(hào)的相位變化很大，嚴(yán)重時(shí)甚至使射電干涉儀的兩路信號(hào)失去相干性。
權(quán)利要求
1.應(yīng)用準(zhǔn)光傳輸方式的毫米波射電日像儀，由天線陣及其伺服系統(tǒng)，鎖相本振信號(hào)源系統(tǒng)、混頻器、中頻放大器、接收機(jī)及相關(guān)處理系統(tǒng)等配合連接而成，其特征是上述系統(tǒng)中的N(N為陣列的單元數(shù))個(gè)天線單元以圓周形式排列構(gòu)成天線圓陣，圓形天線陣中每一個(gè)天線單元含偏置拋物面反射器、活動(dòng)平面反射器、曲面導(dǎo)體截面，N個(gè)偏置拋物面反射器沿圓周排列在最外圈離地平一定高度上，偏置拋物面反射器的輸出口面朝下并與水平面平行，在每個(gè)偏置拋物面反射器輸出口面正下方的地面上設(shè)置一個(gè)活動(dòng)平面反射器，該平面反射器的中心點(diǎn)位于偏置拋物面反射器輸出口面的中心線上，此平面反射器采用地平座架結(jié)構(gòu)或赤道座架結(jié)構(gòu)，且此平面反射器的方位角與天頂角或時(shí)角與赤緯由伺服系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，N塊活動(dòng)平面反射器的方位角與天頂角或時(shí)角與赤緯的調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)程序控制聯(lián)動(dòng)，在一定半徑的內(nèi)圓周上，沿圓周設(shè)置N個(gè)雙焦點(diǎn)的曲面導(dǎo)體截面、數(shù)量與外圈上的偏置拋物面反射器相同并一一對(duì)應(yīng)，曲面導(dǎo)體截面的其中一個(gè)焦點(diǎn)與偏置拋物面的焦點(diǎn)重合，天線饋源安裝在各個(gè)曲面導(dǎo)體截面的另一個(gè)焦點(diǎn)上，偏置拋物面的焦點(diǎn)及中心射線與曲面導(dǎo)體截面的二個(gè)焦點(diǎn)及中心射線以及饋源的相位中心及饋源中心軸線在同一水平面內(nèi)，偏置拋物面的中心射線與曲面導(dǎo)體截面的中心射線重合，曲面導(dǎo)體截面的另一中心射線與饋源的中心軸線重合，在天線饋源后面安置混頻器，中頻放大器和接收機(jī)以及鎖相本振系統(tǒng)、相關(guān)處理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波射電日像儀，其特征是在曲面導(dǎo)體截面的反射波束方向上安裝一塊平面固定反射器，該平面反射器的位置應(yīng)使其反射的波束與曲面導(dǎo)體截面的入射波束平行，天線饋源安裝在各個(gè)曲面導(dǎo)體截面的平面固定反射器一方的一個(gè)焦點(diǎn)上，曲面導(dǎo)體截面的中心射線與平面固定反射器的中心射線重合、平面固定反射器的中心反射線與饋源的中心軸線重合，平面固定反射器的中心入射線及反射線與偏置拋物面的焦點(diǎn)及中心射線、曲面導(dǎo)體截面的二個(gè)焦點(diǎn)及中心射線以及饋源的相位中心及中心軸線在同一水平面內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的毫米波射電日像儀，其特征是鎖相本振系統(tǒng)含鎖相源、功率分配器、放大器、倍頻器及被控本機(jī)振蕩器、采用基波注入鎖定諧波提取方式先在一個(gè)較低的頻率上獲得一個(gè)低相位噪聲的參考注入信號(hào)，然后將這信號(hào)用功率分配器等分成N路輸出，沿圓周方向分配給陣中各單元，每一路的信號(hào)去注入鎖定比它高整數(shù)倍的被控本機(jī)振蕩器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的毫米波射電日像儀、其特征是天線饋源、鎖相本振源、功率分配器、混頻器、中頻放大器，接收機(jī)以及相關(guān)處理系統(tǒng)和它們之間的連接饋線均設(shè)置在圓陣中央?yún)^(qū)的溫控室內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)采用圓陣排列的天線單元直接把射頻信號(hào)通過(guò)空間傳輸電磁波的方式傳輸至圓陣中央,在圓陣中央對(duì)所有天線單元來(lái)的射電信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,只使用一個(gè)鎖相本振系統(tǒng)。采用注入鎖定方式替代鎖相環(huán)系統(tǒng)。接收機(jī)與相關(guān)處理器之間距離很近,可以使用很短的電纜進(jìn)行連接,所有設(shè)備都集中在中央?yún)^(qū)的天文圓堡內(nèi),使用溫控環(huán)境可進(jìn)一步提高射電信號(hào)的相位穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G02B23/00GK1203362SQ98111289
公開(kāi)日1998年12月30日 申請(qǐng)日期1998年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月8日
發(fā)明者殷興輝, 徐之材 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)