专利名称：应用准光传输方式的毫米波射电日像仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用射电望远镜观测太阳时的射电信号传输方式及相应设备系统、属射电天文技术和准光学技术领域。
现有的射电日像仪是将天线阵中的每一个天线所接收到的射电信号先经高频放大，再进行谐波混频，然后将变频后的中频信号送到相关处理器。为了获得相关的本振信号，现有的技术是每一路接收机使用一个锁相本振源系统、并且所有这些锁相本振源系统都要使用同一个参考信号。因此，采用这种现有技术时，射电日像仪中的每一个天线的接收系统都需要使用多根电缆与后端设备进行长距离连接。为了减少电缆引入的相位不稳定因素，这许多路信号都必须使用长距离光缆替代电缆，并且所有这些光缆都必须埋在地下一米多深。这样，射电日像仪中的每一个单元天线就需要7根光纤、其中4根是用来传输中频信号的，2根用来传输本振参考信号，另外一根光纤则是用来进行控制。因此，单就射电日像仪光纤传输系统而言、造价费用就高达1170万美元。
为了克服上述现有技术之不足，本发明提供了一种应用准光学技术采用圆阵排列的天线单元直接把射频信号通过空间传输电磁波的方式传输至圆阵中央，在圆阵中央对所有天线单元来的射电信号进行相关处理，只使用一个锁相本振系统，采用注入锁定方式替代锁相环系统。
本发明将本申请人申请的“98226477.1”和“98226478.X”实用新型专利具体应用于本发明系统中，其具体技术方案是本发明由天线阵及其伺服系统、锁相本振信号源系统、混频器、中频放大器、接收机及相关处理系统等配合连接而成，其特征是上述系统中的N(N为阵列的单元数)个天线单元以圆周形式排列构成天线圆阵、圆形天线阵中每一个天线单元含偏置抛物面反射器、活动平面反射器、曲面导体截面，N个偏置抛物面反射器沿圆周排列在最外圈离地平一定高度上，偏置抛物面反射器的输出口面朝下并与水平面平行，在每个偏置抛物面反射器输出口面正下方的地面上设置一个活动平面反射器，该平面反射器的中心点位于偏置抛物面反射器输出口面的中心线上，此平面反射器采用地平座架结构或赤道座架结构、且此平面反射器的方位角与天顶角或时角与赤纬由伺服系统控制调节。N块活动平面反射器的方位角与天顶角或时角与赤纬的调节由计算机程序控制联动，在一定半径的内圆周上，沿圆周设置N个双焦点的曲面导体截面，数量与外圈上的偏置抛物面反射器相同并一一对应，曲面导体截面的其中一个焦点与偏置抛物面的焦点重合，天线馈源安装在各个曲面导体截面的另一个焦点上，偏置抛物面的焦点及中心射线与曲面导体截面的二个焦点及中心射线以及馈源的相位中心及馈源中心轴线在同一水平面内，偏置抛物面的中心射线与曲面导体截面的中心射线重合，曲面导体截面的另一中心射线与馈源的中心轴线重合，在天线馈源后面安置混频器、中频放大器和接收机以及锁相本振系统、相关处理系统。在曲面导体截面的反射波束方向上可安装一块平面固定反射器，该平面反射器的位置应使其反射的波束与曲面导体截面的入射波束平行，天线馈源安装在各个曲面导体截面的平面固定反射器一方的一个焦点上，曲面导体截面的中心射线与平面固定反射器的中心射线重合，平面固定反射器的中心反射线与馈源的中心轴线重合，平面固定反射器的中心入射线及反射线与偏置抛物面的焦点及中心射线、曲面导体截面的二个焦点及中心射线以及馈源的相位中心及中心轴线在同一水平面内。锁相本振系统含锁相源功率分配器，放大器、倍频器及被控本机振荡器，采用基波注入锁定谐波提取方式先在一个较低的频率上获得一个低相位噪声的参考注入信号，然后将这信号用功率分配器等分成N路输出，沿圆周方向分配给阵中各单元，每一路的信号去注入锁定比它高整数倍的被控本机振荡器。天线馈源、锁相本振源、功率分配器、混频器，中频放大器、接收机以及相关处理器和它们之间的连接馈线均设置在圆阵中央区的温控室内。
附图及实施例
图1为以圆阵形式排列的单元天线传输信号示意图；图2为多个天线单元由外圆向圆阵中央传输的方式及其相应设备；图3为以圆阵形式排列的单元天线传输信号示意图(有平面固定反射器的)；图4为多个天线单元由外圆向圆阵中央传输的方式及其相应设备(有平面固定反射器的)；图5为射电信号与本振信号的混频示意图；图6为注入锁定本振源系统的电原理框图。
参看图1-4，天线阵呈圆阵排列，外圆周上可排列N个离地面一定高度的偏置抛物面反射器2(可均布排列，也可非均布排列)，偏置抛物面的输出口面朝下并与水平面平行。设活动平面反射器为圆形，则过圆心的平面反射器的法线方向我们定义为活动平面反射器的空间指向。太阳的位置是随时间变化的，但N个活动平面反射器都应用光学定天镜原理始终将来自太阳的射电信号反射至天顶方向(与水平面垂直的方向)，如果太阳的位置为方位角A，天顶角Z(或俯仰角H)，则N个活动平面反射器均采用地平座架结构时，它们的空间指向由伺服系统保证都为方位角A，天顶角Z/2。N个活动平面反射器也可采用赤道座架结构，设太阳的位置为时角t和赤纬δ，观测点的地理纬度为φ，则地平座标与赤道座标间的变换关系是CosZ＝SinH＝Sinφ，Sinδ+Cosφ·Cosδ·CostSinA＝Cosδ，SecH·SintCosA＝SecH·(Sinφ·Cosδ-Cosφ·Sinδ)N个活动平面反射器的方位角以正南偏西来定义，正南为方位零参考点(起始点)，天顶角以指向天顶时为零参考点(起始点)。当毫米波射电日像仪跟踪太阳时，应用计算机使N个活动平面反射器同时跟踪太阳，即在跟踪太阳时，地平座架需要按照上述预先算好的太阳运行的位置随时调整N个活动平面反射器方位角和天顶角，这可以由伺服系统用计算机控制两个驱动系统来完成。N个活动平面反射器的方位角与天顶角或时角与赤纬的调节由计算机控制联动，以保证每块反射器都能始终将来自太阳的射电信号同时反射至天顶方向(与水平面垂直的方向)。圆阵的外圆直径根据射电日像仪所要求的空间分辨率选取，同时确定了圆阵的中心点，根据所要求的天线单元个数及天线单元间距，在圆阵外圆周上确定多个偏置抛物面天线的位置。在距离圆阵中心一定距离的内圆周上，排列N个双焦点的曲面导体截面3(可以是椭球截面或双曲截面)，曲面导体截面3的数量与外圆周上排列的偏置抛物面2的数量相同且一一对应，并在各个曲面导体截面3的出射波束方向安装平面固定反射器4(图3，4)，它的作用是将信号波束偏转一个方向(如不设平面固定反射器4，则需在天线馈源后面设置连接弯波导与混频器进行连接(如图1，2)，内外圆周上排列的各个器件之间的位置要求如前所述。天线馈源5安装在曲面导体截面3的平面固定反射器一方的焦点位置上。在天线馈源5的后面设置混频器8、中频放大器9和接收机10，在圆阵中央安置锁相本振系统输出至混频器8，上述系统设备的布置，构成超外差式接收机，将射频信号(RF)和本振信号(LO)送入混频器8内，变频后经中频放大器9进入接收机10(如图5)，在圆阵中央进行相关处理。如图6方框所示，锁相本振系统含锁相源6、功率分配器7、放大器11、倍频器12、被控本机振荡器13，先在一个较低的频率上(12GHz)，获得一个低相位噪声的参考注入信号，然后将这参考信号沿圆周等分成N路，每路信号经二次倍频及放大后去注入锁定频率比它高整数倍的被控本机振荡器。
本发明的工作过程如下当对太阳进行观测时，太阳所发出的射电信号经平面旋转反射器1反射后，被偏置抛物面天线2接收，并聚焦于焦平面，然后该射电信号继续向圆内传播至曲面导体截面3，并将该射电信号再次聚焦，并由平面固定反射器4转向后被馈源5接收进入混频器8，锁相本振信号也进入混频器8，二组信号经混频器变频后由中放至接收机，各单元接收机输出至圆阵中央进行相关处理。作为一个实施例，圆阵外圆周半径R＝210米，内圆周半径R＝5米，中频IF采用高中频方案，第一中频可用4GHz，中频放大器采用该波段的高增益低噪声放大器。偏置抛物面天线输出口面离活动平面反射器的高度及活动平面反射器的大小(直径)参照98226477.1实用新型专利申请，曲面导体截面及天线馈源和平面固定反射器的参数选取参照98226478.X实用新型专利申请以及有关的准光学计算公式。
本发明与现有射电日像仪相比较，有以下优点及效果1、采用准光学技术从圆阵上的每一个单元天线直接将射频信号通过空间传输，射电信号的传输损耗很低，相位稳定度高。
2、天线馈源5，混频器8、中放9、接收机10和相关处理器系统以及锁相本振系统6、7、11、12、13都位于圆阵中央。这样，所有接收机的本振参考信号都可以完全采用注入锁定方式，因此，实现所有接收机的本振信号的相关就变得既方便又可行。现有技术必须每一路接收机使用一个锁相本振源，系统复杂，造价昂贵。
3、射电信号统一被传输到圆阵中央接收和处理。接收机与相关处理器之间距离很近，完全可以使用很短的电缆进行连接，因而安装和施工简便。
4、本发明的传输线相对于现有射电日像仪的10000米长传输线，只有几米长，因而安装和施工费用大大降低、只有现有射电日像仪传输系统的1/100左右。
5、射电信号被统一传输到圆阵中央接收和处理，接收设备和传输线可以被安置在一个天文圆堡内，在天文圆堡内使用温控环境可以进一步大大提高射电信号的相位稳定性，也便于维修和管理。
6、本发明的所有接收机，相关处理器以及中频，本振系统都设置于一个天文圆堡内，温控环境下传输线采用电缆即可满足性能要求，而现有技术对传输线的性能要求相当苛刻，它要求在-10℃至20℃温度范围内，传输线的温度系数应达到0.2ppm/℃，而且传输线必须埋于地下一米多深。
7、射电望远镜中最容易产生相位变化的就是传输线温度变化而引起的电长度变化。本发明系统在室外没有传输线，在室内使用温控环境因而不受气候温度的影响，而现有射电日像仪因室外部分传输线长达几十米至几千米，由传输线的温度系数引起的传输信号的相位变化很大，严重时甚至使射电干涉仪的两路信号失去相干性。
权利要求
1.应用准光传输方式的毫米波射电日像仪，由天线阵及其伺服系统，锁相本振信号源系统、混频器、中频放大器、接收机及相关处理系统等配合连接而成，其特征是上述系统中的N(N为阵列的单元数)个天线单元以圆周形式排列构成天线圆阵，圆形天线阵中每一个天线单元含偏置抛物面反射器、活动平面反射器、曲面导体截面，N个偏置抛物面反射器沿圆周排列在最外圈离地平一定高度上，偏置抛物面反射器的输出口面朝下并与水平面平行，在每个偏置抛物面反射器输出口面正下方的地面上设置一个活动平面反射器，该平面反射器的中心点位于偏置抛物面反射器输出口面的中心线上，此平面反射器采用地平座架结构或赤道座架结构，且此平面反射器的方位角与天顶角或时角与赤纬由伺服系统控制调节，N块活动平面反射器的方位角与天顶角或时角与赤纬的调节由计算机程序控制联动，在一定半径的内圆周上，沿圆周设置N个双焦点的曲面导体截面、数量与外圈上的偏置抛物面反射器相同并一一对应，曲面导体截面的其中一个焦点与偏置抛物面的焦点重合，天线馈源安装在各个曲面导体截面的另一个焦点上，偏置抛物面的焦点及中心射线与曲面导体截面的二个焦点及中心射线以及馈源的相位中心及馈源中心轴线在同一水平面内，偏置抛物面的中心射线与曲面导体截面的中心射线重合，曲面导体截面的另一中心射线与馈源的中心轴线重合，在天线馈源后面安置混频器，中频放大器和接收机以及锁相本振系统、相关处理系统。
2.根据权利要求1所述的毫米波射电日像仪，其特征是在曲面导体截面的反射波束方向上安装一块平面固定反射器，该平面反射器的位置应使其反射的波束与曲面导体截面的入射波束平行，天线馈源安装在各个曲面导体截面的平面固定反射器一方的一个焦点上，曲面导体截面的中心射线与平面固定反射器的中心射线重合、平面固定反射器的中心反射线与馈源的中心轴线重合，平面固定反射器的中心入射线及反射线与偏置抛物面的焦点及中心射线、曲面导体截面的二个焦点及中心射线以及馈源的相位中心及中心轴线在同一水平面内。
3.根据权利要求1或2所述的毫米波射电日像仪，其特征是锁相本振系统含锁相源、功率分配器、放大器、倍频器及被控本机振荡器、采用基波注入锁定谐波提取方式先在一个较低的频率上获得一个低相位噪声的参考注入信号，然后将这信号用功率分配器等分成N路输出，沿圆周方向分配给阵中各单元，每一路的信号去注入锁定比它高整数倍的被控本机振荡器。
4.根据权利要求1或2或3所述的毫米波射电日像仪、其特征是天线馈源、锁相本振源、功率分配器、混频器、中频放大器，接收机以及相关处理系统和它们之间的连接馈线均设置在圆阵中央区的温控室内。
全文摘要
本发明提供了一种应用准光学技术采用圆阵排列的天线单元直接把射频信号通过空间传输电磁波的方式传输至圆阵中央,在圆阵中央对所有天线单元来的射电信号进行相关处理,只使用一个锁相本振系统。采用注入锁定方式替代锁相环系统。接收机与相关处理器之间距离很近,可以使用很短的电缆进行连接,所有设备都集中在中央区的天文圆堡内,使用温控环境可进一步提高射电信号的相位稳定性。
文档编号G02B23/00GK1203362SQ98111289
公开日1998年12月30日 申请日期1998年5月8日 优先权日1998年5月8日
发明者殷兴辉, 徐之材 申请人:中国科学院紫金山天文台