TM65 m射電望遠鏡低頻段系統(tǒng)噪聲溫度測試和分析

TM65m射電望遠鏡低頻段系統(tǒng)噪聲溫度測試和分析王錦清;虞林峰;趙融冰;蔣棟榮;婁方汛;勞保強;李斌;董健;范慶元【摘要】首先介紹了天馬65m射電望遠鏡(簡稱TM65m)接收系統(tǒng)，包括L、s、C、X4個頻段各部分的噪聲指標.然后對系統(tǒng)噪聲溫度的幾種測試方法進行了討論;對影響系統(tǒng)噪聲溫度測量的若干關(guān)鍵因素進行了分析,包括非線性誤差、饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗和失配誤差等?采用y因子法對試驗室的噪聲源定標值進行了校核,校核后偏差達到0.2K左右?最后給出了TM65m4個低頻段系統(tǒng)噪聲溫度的實測結(jié)果，并進行了分析.期刊名稱】《天文學(xué)報》年(卷),期】2015(056)001【總頁數(shù)】14頁(P63-76)【關(guān)鍵詞】大氣效應(yīng);技術(shù):雷達天文;宇宙背景【作者】王錦清;虞林峰;趙融冰;蔣棟榮;婁方汛;勞保強;李斌;董健;范慶元【作者單位】中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;桂林電子科技大學(xué)桂林541004;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;桂林電子科技大學(xué)桂林541004;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008;中國科學(xué)院上海天文臺上海200030;中國科學(xué)院射電天文重點實驗室南京210008【正文語種】中文【中圖分類】P111TM65m是目前國內(nèi)口徑最大的實面射電望遠鏡,其工作波段有L、S、C、X、KuK、Ka、Q8個，幾乎覆蓋50GHz以下70%頻率范圍,也是目前國內(nèi)波段最全的射電望遠鏡?該射電望遠鏡采用卡塞格林式天線結(jié)構(gòu)，主面直徑65m,并且具有主動面結(jié)構(gòu)，用于高頻觀測時補償面形的重力變形?目前該天線已經(jīng)配備了L、S、C、X低頻波段4套接收機，其中S/X為雙頻接收機，即其饋源部分為兩個波段共用，其余均為單頻饋源.對于一架射電望遠鏡微波接收系統(tǒng),其主要由天饋部分(包括天線面、反射面、饋源、極化器)、致冷LNA(LowNoiseAmplifier)以及后級變頻鏈路組成?通常把致冷LNA部分稱為接收機,事實上，現(xiàn)在TM65m上的設(shè)計已經(jīng)將部分頻段的饋源和極化器進行致冷,并且有些文獻中也已經(jīng)把饋源和極化器作為接收機部分,但是為了討論極化器和LNA匹配問題的方便,文中論及的接收機還是定義為致冷LNA部分.射電望遠鏡的系統(tǒng)噪聲,除了包含天饋部分、接收機的噪聲外,還包含天空大氣輻射噪聲以及地面輻射泄漏噪聲?一般情況下,天線面、饋源、極化器和接收機4者的噪聲級聯(lián)總和可以用來評估天線微波系統(tǒng)的噪聲性能，因為致冷LNA的增益通常可達約30dB,后級鏈路的噪聲將被弱化1000倍左右，因此后級鏈路的影響可以忽略.本文就射電望遠鏡系統(tǒng)關(guān)鍵指標——系統(tǒng)噪聲溫度,介紹了多種系統(tǒng)噪聲溫度測試方法,并對測量的誤差給出了評估;對定標噪聲源進行了實測校驗,最后測量了4個波段接收系統(tǒng)的噪聲溫度，并作了一定的分析討論.射電望遠鏡觀測過程中，信號的傳遞和系統(tǒng)噪聲溫度組成見圖1,圖中T300和T77分別為黑體300K和77K的物理溫度,「A和「R分別表示極化器和LNA的反射系數(shù),PA和PR分別為極化器發(fā)出的功率以及LNA實際接收到的功率?系統(tǒng)溫度為整個鏈路中各部件等效噪聲溫度的級聯(lián),簡易表示如下:其中Tsys為整個天線系統(tǒng)噪聲溫度,Tfeed為常溫下饋源網(wǎng)絡(luò)(包含極化器)插入損耗對應(yīng)的等效噪聲溫度;TR為致冷接收機噪聲溫度;Tsky為來自天空和地球大氣的噪聲溫度,主要從天線方向圖的主瓣進入鏈路；Tgnd為地面輻射泄漏,主要從天線方向圖的旁瓣和后瓣進入鏈路；Tant為天線歐姆損耗,主要由天線反射面損耗導(dǎo)致?需要指出的是,上述(1)式的表達方式并非嚴格,因為并未考慮級聯(lián)問題,只有當級聯(lián)部件的插入損耗小于0.1dB時可以近似使用，后文的結(jié)論表明這種近似算法帶來的Tsys誤差約為0.035K左右.本文主要進行Tsys的測量研究，對Tsky、Tgnd和Tant不作嚴格分離，但是對Tsky進行了建模分析?此外影響系統(tǒng)噪聲溫度測量誤差的關(guān)鍵問題還有接收鏈路中的駐波、鏈路增益非線性和隨時間變化等問題,這將在后文深入論述.表1給出了4個頻段饋源網(wǎng)絡(luò)和接收機的關(guān)鍵測試指標.天線系統(tǒng)噪聲溫度測試方法在cm波段測量天線的系統(tǒng)噪聲溫度通常采用Y因子法，即先對系統(tǒng)輸入1個已知噪聲溫度的信號,得到1個輸出功率;再讓系統(tǒng)對向冷空,得到第2個輸出功率;兩者的比值為Y因子，通過Y因子可以計算出系統(tǒng)噪聲溫度?對于不同的輸入信號,實現(xiàn)手段上有所不同,當前主要采用冷熱負載、空間亮溫恒定區(qū)域以及定標噪聲源等作為已知輸入亮溫，進行測試.2.1.1用冷熱負載法在饋源口分別提供300K(T300)常溫和77K(T77)液氮溫度負載[1],見圖1?這可以通過把黑體分別置于常溫和液氮中來實現(xiàn)上述兩個溫度負載,記錄兩個物理溫度輸入時對應(yīng)的輸出功率的比,得到第1個Y因子如下：其中T300和T77可以實際測量得到?由此可以計算得到等效噪聲溫度Tfeed+TR.再移去負載,天線對向冷空，記錄系統(tǒng)功率,得到第2個Y因子：通過(3)式可以得到整個系統(tǒng)噪聲溫度Tsys,并可以分離得到Tsky+Tgnd+Tant.該方法的突出優(yōu)點是：由于采用了兩個溫度負載,可以從系統(tǒng)噪聲溫度中分離出接收機和饋源網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度，在X頻段以下熱噪聲隨頻率分布均勻,因此測量可信度較高?缺點是:T77負載的使用在口徑較小的饋源口面非常易于實施，因此在mm波段接收系統(tǒng)中廣泛采用,而在卡塞格林結(jié)構(gòu)的cm波段大型射電望遠鏡系統(tǒng)中，由于饋源口徑很大，以TM65m為例丄、C、S/X的饋源口面尺寸依次為:1.6m、0.66m、0.91m,常用的黑體尺寸通常在0.5m左右,在常溫T300下可以通過多塊拼接的方式進行覆蓋,但是饋源邊沿的泄漏是難以確定的誤差量,最大的問題是經(jīng)液氮浸泡的黑體很難覆蓋饋源口面,因為在操作上十分危險.事實上,如果只是為了測量Tsys,則只需要(3)式即可，這得益于Y2因子通常很大(有10dB以上),并且Tfeed+TR在實驗室通常已經(jīng)有測量值，后文用于校正噪聲源的方法正是基于這一基礎(chǔ).采用表面亮溫度已知的區(qū)域此方法主要采用天空輻射亮溫度已知的區(qū)域,如月亮、行星[2],對系統(tǒng)溫度進行定標,假如在某個區(qū)域其輻射亮溫為C(溫度單位為K),則通過天線指向偏開該區(qū)域，可以得到(4)式的Y因子測量值,可以直接測量Tsys,但是不能從Tsys中直接分離Tfeed+TR,除非在饋源口再次覆蓋T300的常溫黑體.然而,這個方法也有很大的局限性,月亮和行星的角徑較大,在測量大口徑天線時,由于波束很窄(65m天線波束在X波段為140“左右)，幾乎是月亮角徑(6‘)的，所以天線旁瓣同樣會接收信號,而導(dǎo)致測量的不確定性.目前在天空中具有確定的已知亮溫并且置信度高的區(qū)域、頻段還比較有限[3].采用定標噪聲源法這種方法在本質(zhì)上與冷熱負載法一致,并且在cm波段接收系統(tǒng)上應(yīng)用已經(jīng)十分普遍[4],一般通過在接收機LNA前端耦合入1個已知噪聲溫度為Teal的噪聲信號，然后再通過類似于下式的比例式可以計算出系統(tǒng)噪聲溫度值:其中Pb為天線指向天空背景時的功率讀數(shù);P0為接收系統(tǒng)零點功率讀數(shù);Pn為天線指向天空背景時開啟噪聲源后的功率讀數(shù).采用該方法同樣無法從系統(tǒng)噪聲溫度中分離Tfeed+TR,另外一個主要問題是Teal定標的準確性,該值通常是在實驗室由微波工程師通過噪聲分析儀測試后給出,其定標誤差估計在0.5~1K,因此,用此定標值進行系統(tǒng)溫度測量時,系統(tǒng)溫度越高，測量精度相對就越高，反之亦然?當前4個波段均具備高低兩檔噪聲Teal注入能力，其典型值和誤差情況見下表2,其中是高噪聲典型值,是低噪聲典型值,是定標噪聲的誤差量,ErrorH是高噪聲的相對誤差,ErrorL是低噪聲的相對誤差?因此當Teal取高一檔時,Teal值的相對誤差較小;而取低一檔時，相對誤差較大，該相對誤差將直接傳遞給Tsys測量結(jié)果.為了準確確定Teal值，可以通過采用上述2.1.1節(jié)的手段進行校驗，詳見2.2節(jié)，這種校驗在實踐中是十分可行的,后文實測結(jié)果就是采用了校驗后的噪聲源標定值測得的.此外還有一些測試天線噪聲溫度的新方法[5-6],這里不再一一展開.2.2采用單個常溫負載的測量及Teal反演誤差采用單個常溫負載和冷空溫度測量系統(tǒng)噪聲Tsys,即在圖1中可以只采用T300輸入時的功率P300和天線接收冷空噪聲功率Psky構(gòu)成Y因子進行測量?后面的分析表明:只要Y因子測量值達到10dB以上,Tfeed+TR和T300的測量值即使有一定的誤差，對Tsys的測量結(jié)果也只有約的誤差貢獻?因此采用該方法反推定標噪聲值Teal有一定的可信度,但是鏈路必須保證在T300輸入時同樣工作于線性區(qū),見后文2.3節(jié).在通常情況下，我們采用定標噪聲源法，定義Tsgo和Tsys如下(6)~(7)式，在不同仰角上把天線對準冷空，采用實驗室測量獲得的接收機噪聲溫度TR和饋源網(wǎng)絡(luò)噪聲溫度Tfeed.天線對冷空，遮蓋黑體前后的Y因子為(8)式，當Y因子測量獲得后,可以得到Tsgo,見(9)式.聯(lián)立(7)式和(9)式，得到Tsys如下：通常情況下,T300的測量是可以通過溫度傳感器精確檢測，最大只有0.5K誤差，接收機和饋源網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度TR+Tfeed有實驗室測量值可以參考?由表1可知在20K以下假定誤差為10%,則TR+Tfeed為2K.如果Y因子為10dB,在此情況下，此兩項對Tsys的測量誤差貢獻不會超過0.25K.另外Y因子是直接測量比值，對于線性系統(tǒng),假設(shè)其輸出功率的相對波動誤差為e,則無論是T300還是Tsky輸入，其波動誤差將大部分自動消除掉,如(11)式，因此采用該方法得到的Tsys具有較高的可信度，絕對誤差估計在0.5K以內(nèi)?表3給出了TM65m上4個波段實際測量時天頂方向的系統(tǒng)溫度值及Teal反演誤差情況，與表2中Teal定標相對誤差相比有很大提高，尤其與表2中低一檔噪聲值的相對誤差相比?圖2給出了S波段左旋在各個仰角El上采用T300黑體溫度和Tsky,獲得Y因子測量值后得到Tsys,再反推得到的Teal值和實驗室獲得的Teal值的對比,Teal包含兩檔,分別為大約為系統(tǒng)噪聲溫度值的50%和5%,可以看到所用的兩檔高低噪聲Teal值都有很好的符合度，誤差不超過0.2K.盡管表2中S波段低一檔的Teal值理論上有11.4%的誤差，但是實際偏差并不大，大約5%.這一方面說明噪聲分析儀在S頻段的定標誤差可能好于0.5K,估計達到了0.2K左右;另外一方面說明采用上述反演方法的合理性.非線性驗證在實際測量中,接收機和中頻鏈路工作處于線性范圍區(qū)是非常重要的,如果鏈路進入飽和區(qū)，將對測量結(jié)果帶來很大的偏差?采用(10)式計算系統(tǒng)噪聲溫度Tsys時，已經(jīng)假設(shè)Y因子的獲得是線性系統(tǒng)上測量得到的，如果系統(tǒng)進入非線性區(qū),Y因子的測量就必然帶來誤差,即使避免了飽和區(qū),小量的非線性同樣會導(dǎo)致測量誤差.因此,在測試過程中必須驗證T300輸入時，鏈路并未進入飽和區(qū)，如果發(fā)現(xiàn)鏈路有飽和現(xiàn)象，可以調(diào)整接收機和中頻鏈路各級的衰減值，使鏈路進入線性工作區(qū)?圖3為X波段調(diào)整好鏈路增益后，測量各個俯仰角上Tsys+Tcal多個輸入值及其輸出功率,因為在16個仰角位置上進行了測量,所以共有48點,然后進行線性擬合,并把擬合線延長至300K黑體覆蓋時，輸入T300+Tcal,由此可以檢查系統(tǒng)的非線性特征以及合理性.與此比較，圖4為鏈路處于飽和工作區(qū)的情況，可以看到在T300輸入時，輸出功率被嚴重地壓縮,T300輸入時明顯不是處于線性工作區(qū)，因為其線性擬合線都沒有經(jīng)過功率零點圖3~4中擬合的斜率有較大差別是因為鏈路的增益不同，后者的增益太大導(dǎo)致了T300輸入時鏈路進入了飽和區(qū)域，由此導(dǎo)致Y因子測量誤差取決于圖4中的壓縮量6=6353.根據(jù)(10)式，可知當前Y因子誤差為相對誤差為其中P300為線性情況下T300輸入時的功率讀數(shù),這個誤差最終體現(xiàn)在Tsys的測量結(jié)果上就是Tsys比實際大了36%,因此在進行T300黑體覆蓋測量時，必須確認接收鏈路工作于線性區(qū).饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗和失配導(dǎo)致的誤差饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗對近似算法的誤差影響由于饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的存在，其與致冷LNA的級聯(lián)可以簡化為放大器前串入有耗傳輸線的典型模型，見圖5?假設(shè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗為L(dB),對應(yīng)的增益為G1=1/(10L/10)則等效噪聲溫度為致冷LNA的等效噪聲溫度為TR,由此兩者組成一個整體后,在接口完全匹配情況下,該模塊的等效噪聲溫度為:由此可以與前述近似算法二Tfeed+TR作比較，當前4個波段的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗普遍小于0.1dB,由此可以得到簡易算法的計算誤差與接收機噪聲的關(guān)系，見圖6?根據(jù)表1中接收機噪聲指標，可知4個頻段接收機實際的噪聲均小于15K(L、C以及X波段即使包含極化器也小于15K),近似算法誤差小于0.35K,在Y因子為10dB的情況下，由此導(dǎo)致的Tsys測量誤差為0.035K,見(10)式?因此，采用⑴式的近似表達式，對系統(tǒng)噪聲溫度Tsys的測量誤差不會超過0.1K.饋源網(wǎng)絡(luò)和接收機失配對誤差影響這里將對圖1中的極化器和致冷LNA間的失配導(dǎo)致的噪聲抬升進行分析，定義失配系數(shù)MAR為極化器發(fā)出功率PA和低溫LNA實際收到功率PR的比值[7],如下：其中「A為極化器輸出口的反射系數(shù);「R為致冷LNA輸入口的反射系數(shù).通常情況下,「A和「R的相位關(guān)系不會測量，而用MAR的最大值和最小值來表示，如果用回波損耗參數(shù)S11表示反射系數(shù)，將代入(14)式，由此表示失配系數(shù)的最小Mmin和最大值Mmax分別如下(15)~(16)式，其中SA和SR分別表示極化器輸出口和致冷LNA輸入口的回波損耗?圖7給出了極化器輸出口回波損耗S11=-22dB典型值情況下，此時的電壓駐波比VSWR=1.173,致冷LNA輸入口回波損耗與最大、最小失配系數(shù)的關(guān)系.圖8給出了黑體T300溫度從極化器傳遞到致冷LNA時,通過失配系數(shù)關(guān)系式(17)式作用后,LNA實際接收到的溫度值，此時極化器輸出口回波損耗S11=-22dB,電壓駐波比VSWR=1.173.可以看到，在回波損耗達到-10dB時,由于失配系數(shù)明顯增大，在最大失配情況下,LNA實際收到的溫度T300只有255K相對損失達15%;即使取中間失配系數(shù)，可以達到T270,相對損失為10%.表4給出了TM65m上4個波段實際測量時,結(jié)合表1中的回波損耗參數(shù)，采用T300常溫負載測量法，只考慮極化器和LNA間的駐波,并估計Y因子為10dB時，計算失配系數(shù)導(dǎo)致的系統(tǒng)溫度測量誤差情況.可以看到,失配導(dǎo)致的噪聲基本在1K以下，如果系統(tǒng)噪聲本身很低(比如C波段)，失配系數(shù)導(dǎo)致的相對誤差明顯增大.負載噪聲溫度的頻率相關(guān)性上述采用了黑體的物理溫度直接代入公式是一種近似,黑體的輻射溫度與頻率實際是相關(guān)的[8],嚴格的噪聲標定公式見(18)式.(19)式為采用近似算法的誤差公式,可用于高頻測量時校正?圖9給出了T=300K負載情況下,采用近似物理溫度在不同頻率上的誤差分布,可見隨著頻率的上升，誤差將加大，在X頻段8GHz以下時，這個誤差只有0.2K左右，只有在系統(tǒng)噪聲溫度本身很低(幾K量級)或高精度測量時需要予以考慮?而到Ka頻段38GHz時，這個誤差將接近1K,在高精度測量情況下應(yīng)當考慮.其中h為普朗克常量6.6262x10-34;f為工作頻率;k為玻爾茲曼常數(shù)1.3806488x10-23;T為物理溫度；TN為與頻率相關(guān)的黑體輻射溫度;TC為近似算法的誤差.鏈路增益變化問題接收機鏈路的增益變化會帶來不可預(yù)料的測量誤差,尤其是短周期的增益變化.目前的測量方法采用了分時開關(guān)噪聲源的方法，開關(guān)時間均為4~5s,如果在開啟噪聲源時間內(nèi)增益是穩(wěn)定的,而在關(guān)閉噪聲源測量時間內(nèi)增益發(fā)生了突變,則直接導(dǎo)致測量的不確定性.為了避免此類問題,可以采用如下兩種手段:(1)測試前需對鏈路功率進行較長時間的檢測.(2)采用周期開關(guān)噪聲源的方法,開關(guān)頻率在赫茲級別,這樣可以在更短的時間內(nèi)進行測量,然后進行積分處理,以平滑由于增益緩慢變化導(dǎo)致的功率檢測誤差.大氣亮溫數(shù)學(xué)模型從上面的論述可以看到，要從Tsys中分離出Tsky+Tgnd+Tant必須具備兩個溫度負載作為輸入量?然而，即使如此，天空亮溫Tsky的單獨分離依然是困難的?一般情況下可以通過水汽輻射計測量或采用模型計算方法［5］估算Tsky.已有的經(jīng)驗表明，高的大氣衰減可以導(dǎo)致大氣亮溫的數(shù)倍增加,視線方向的水蒸汽含量起伏只有在高水蒸汽含量的情況下可以忽略.天頂方向的大氣亮溫最小,因為在這個方向天線波束包含的大氣體積最少.大氣亮溫隨天線波束寬度的增加而增加,小口徑天線比大口徑天線的要高,因為這兩個天線波束包含的空氣體積大小不一樣［9］.(20)式是計算大氣亮溫的數(shù)學(xué)模型[5],圖10是TM65m射電望遠鏡50GHz以下,在不同天頂角上大氣亮溫的輻射曲線，其中已經(jīng)包含了2.7K宇宙背景輻射以及銀河系輻射.輸入的參數(shù)為天線位置的海拔、溫度、濕度和氣壓參數(shù).其中Tb0(v)為宇宙背景輻射導(dǎo)致的亮溫;v為頻率;ka(v,s)為大氣吸收系數(shù);tv(0,s0)為大氣透明度(或稱光深)；s為距離;T(s)為溫度.采用圖1中的參數(shù)以及2.2~2.4節(jié)所述校準方法，并采用圖10中天頂方向的大氣亮溫曲線,分別估算了4個波段的天頂方向系統(tǒng)噪聲溫度,見表5.同時我們對L、S、C和X4個波段采用定標噪聲源法測量了在各個俯仰角的系統(tǒng)噪聲溫度，并對數(shù)據(jù)進行了校準處理?其中除了L波段為線極化外，其余波段均為雙圓極化，測量結(jié)果分別見圖11~12,可以看到各個波段在高仰角位置的系統(tǒng)噪聲溫度依次為28K、50K、17K和28K左右，除了S波段，其余波段的實測結(jié)果與表5中估計值符合良好,差別主要來源于以下幾方面:(1)地面噪聲泄漏以及天線反射面損耗噪聲估計有誤差;(2)饋源網(wǎng)絡(luò)的噪聲是由常溫下測試插入損耗轉(zhuǎn)換得到的,在實際工作中L、C和X3個波段的極化器處于低溫狀態(tài)，因此嚴格意義上,其噪聲與常溫下有所差別;(3)大氣輻射噪聲是由數(shù)學(xué)模型計算獲得的，并非實測值;(4)測量Y因子時，黑體覆蓋饋源并未考慮饋源口噪聲泄漏；(5兒和S波段的測試曲線的彌散比C和X波段要大些，這是因為L和S波段在某些仰角上測試時有無線電干擾信號存在，而C和X波段則不存在此類問題.圖11給出了L波段和S波段的系統(tǒng)噪聲溫度隨俯仰角的變化情況，其中L波段為