专利名称：短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，尤其涉及1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，专门用于射电天文观测的制冷接收机。
技术背景
射电天文学是通过接收和处理宇宙天体的无线电辐射来研究天文现象的一门学科，是现代天文学的重要分支。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体。射电望远镜是射电天文观测的重要工具，主要由天线系统、接收机系统、终端系统等设备构成。接收机系统主要功能是把由天线汇集到的微弱电磁波信号，经低噪声放大器进行放大，再经过混频、中频放大、滤波等环节，最终输出给记录终端。由于射电天文观测中接收到的信号极其微弱，对射电望远镜接收机系统灵敏度有很高的要求。
衡量接收机灵敏度的重要参数指标是噪声系数，噪声系数越低，灵敏度越高。对于射电天文领域的噪声系数，通常用绝对温度描述的等效噪声温度来表示噪声系数。接收机在放大信号的同时会在输出信号中引入自身产生的噪声，其中主要成分之一就是热噪声；热噪声与微波器件的物理温度成正比，对接收机低噪声放大器等器件制冷、降低其物理温度是减小接收机噪声温度、提高灵敏度的重要手段。
一个完整的制冷接收机系统包括杜瓦、馈源、常温微波单元、直流电源、低噪声放大器偏置电源、干空气单元、定标系统等。而杜瓦是接收机的核心，杜瓦设计制作的好坏，将直接影响密封性和隔热效果，继而影响整个接收机性能。
对于杜瓦的形状，有圆柱形设计也有方形设计，一方面是考虑密封性，另一方面也要考虑其内部的安装及维护。另外，不同的杜瓦设计除了影响内部布局外，也会影响杜瓦以外其它单元的安装。
接收机馈源的放置也有多种考虑，不同的设计会得到不同的接收机噪声温度。国外同波段接收机，有将馈源放置在杜瓦外面的，也就是将馈源放置在常温环境下，馈源温度与室温相同；还有将馈源放置在杜瓦腔与屏蔽罩之间，而不采取热屏蔽措施，馈源温度在70K左右。如果馈源不制冷或者制冷温度达不到20K的低温冷级，势必会增加接收机的噪声温度，降低其灵敏度。
由于杜瓦内的微波器件需要接收来自外界的信号，杜瓦腔顶部开设微波窗口，使得被探测的电磁波可以直接·进入杜瓦内的波导器件，选用什么样的材料密封该窗口值得思考。一方面，杜瓦内部是真空，而外部是正常大气压，如果选用一般的材料来密封杜瓦，由于密封材料上下压差过大，需要在该密封材料下面放置泡沫对其进行支撑，而这样做的代价是输入信号插损变大；另一方面，杜瓦内部是低温冷级，而外部是常温，如何保证密封材料在这两种温差极大的条件下正常运行，值得考虑。
屏蔽罩内部的微波器件较多，对于它们在屏蔽罩内部固定及支撑，需要有很好的设计思想。一方面要在降低振动的前提下确保坚固，另一方面同样要避免由于固定及支撑物件的接触而带来的热量。
中国201010509975.9号发明专利公开了一种毫米波多像元制冷接收机杜瓦，它包括杜瓦腔和设在杜瓦腔内的屏蔽罩，屏蔽罩上设多个圆形窗口与设在屏蔽罩内的探测器位置对应；圆形窗口包括屏蔽罩上表面的通孔和覆盖在通孔上面具有一定厚度的介质透镜，介质透镜边缘固定在屏蔽罩上表面。发明内容
本发明目的在于提供一种1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，该接收机杜瓦是由杜瓦腔、屏蔽罩、微波窗口、背架、支架、环形固定架、软连接、馈源、过渡波导、圆方转换器、极化器、低噪声放大器、波导同轴转换器、隔离器、半刚性同轴电缆、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体、干空气腔体密封薄膜、干空气腔体紧固圈、气缸和制冷机组成，该杜瓦的设计可以保证良好的密封性，对内部器件和部件也有很好的固定及支撑作用，制冷效果更优越、稳定性更好，而且便于进行维护，是一种有效隔离热辐射的、高灵敏度的1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，从而可以更好的用于射电天文观测。
本发明所述的一种1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，是由杜瓦腔、屏蔽罩、微波窗口、背架、支架、环形固定架、软连接、馈源、过渡波导、圆方转换器、极化器、低噪声放大器、波导同轴转换器、隔离器、半刚性同轴电缆、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体、干空气腔体密封薄膜、干空气腔体紧固圈、气缸和制冷机组成，在杜瓦腔(I)顶端开设一个微波窗口(3)，环形固定架(6)上部固定在杜瓦腔(I)的顶端，环形固定架(6)的中间固定屏蔽罩(2)，环形固定架(6)的下端与馈源(8)的法兰盘连接，背架(4)的后端与软连接(7)连接，背架(4)的 顶端通过法兰连接馈源(8)和过渡导波(9)，过渡波导(9)的另一端通过法兰与圆方转换器(10) —端连接，圆方转换器(10)的另一端与极化器(11)连接，极化器(11)的左右输出端依次对称连接隔离器(14)、波导同轴转换器(13)、低噪声放大器(12)及半刚性同轴电缆(15)，在背架(4)的下部对称固定低噪声放大器(12)及波导同轴转换器[13]，半刚性同轴电缆(15)的输出端穿过杜瓦腔(I)与杜瓦以外的常温微波单元连接。
馈源(8)在杜瓦腔(I)内部，穿过屏蔽罩(2)正对向微波窗口(3)。
微波窗口(3)由微波窗口密封薄膜(16)密封，密封薄膜(16)由微波窗口紧固圈(17)通过螺丝固定在杜瓦腔(I)的顶部，杜瓦腔(I)的顶端设有干空气腔体(18)，其内部填充干燥空气用来隔离微波窗口(3)与空气的直接接触，干空气腔体(18)的上部用干空气腔体密封薄膜(19)密封，并用干空气腔体紧固圈(20)固定。
微波窗口(3)直径为125mm，微波窗口密封薄膜(16)选用厚度为0.2mm的聚酯薄膜。
软连接(7)的一端固定在背架(4)上，另一端固定在气缸(21)上，气缸(21)设置在背架(4)的后面。
支架(5)的一端固定在杜瓦腔(I)的内壁上,另一端通过屏蔽罩(2)固定在圆方转换器(10)的法兰盘上。
杜瓦腔(I)为方形，正面开口，屏蔽罩(2)选用镀金无氧铜材料，为方形设计，正面开口。
背架(4)选用无氧铜材料，支架(5)，环形固定架(6)选用环氧树脂玻璃纤维复合材料。
本发明所述的1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦由杜瓦腔、杜瓦腔内的屏蔽罩及各微波器件组成，包括用来降低振动的软连接，以及用于固定和支撑各个杜瓦腔内部器件的背架、支架和环形固定架。所述杜瓦腔内嵌套的屏蔽罩，可以有效的隔离热辐射，减小热量载入；所述杜瓦腔上开设的微波窗口，该窗口与馈源口位置对应，并用聚酯薄膜密封；所述软连接，连接气缸和背架用于减小振动；所述背架和支架用来固定和支撑屏蔽罩内各微波器件，环形固定架用于连接和固定杜瓦腔、屏蔽罩及馈源，内部嵌套环形腔体用于隔离馈源处热辐射； 所述杜瓦腔，外形设计为方形，正面可打开，选用材料为铝合金，经加工、抛光后喷漆。与中国发明专利201010509975.9《毫米波多像元接收机杜瓦》中圆柱形杜瓦设计相比较，优点如下:第一，方形杜瓦可直接从正面打开，便于杜瓦内部各个器件的初期组装及后期的维护，而圆柱形杜瓦只能考虑从顶部或底部安装内部器件，操作便利性下降。第二，由于方形设计只能从正面打开，杜瓦的密封性强于在上下两个方向都可以打开圆柱形设计。第三，便于在杜瓦外部安装其它单元，在1.3厘米波段接收机的设计中，将常温微波单元盒安装到杜瓦的侧壁，将为低噪声放大器供电的偏置电源安装到杜瓦的另一测。这两部分的设计，不但节省了空间，更重要的是它们接近杜瓦。而常温微波单元和偏置电源两部分越接近杜瓦，接收和检测到的信号受到的干扰就越小，从而越准确； 所述微波窗口，开设在杜瓦腔顶端，由特殊材料密封。本杜瓦的微波窗口有如下三个特点:第一，与同波段制冷接收机将馈源放置在杜瓦外部(例如美国EVLA的1.3厘米波段制冷接收机杜瓦)相比，本发明直接将馈源设计在杜瓦微波窗口内部，这样可以将馈源与其它波导器件共同制冷，从而更好的降低接收机噪声温度。第二，正常工作的杜瓦其内部为真空，而外部是正常大气压，因此隔离杜瓦内外的材料必须拥有很强的力学性能和良好的微波传输特性。不少设计中，微波窗口的密封材料需要在下面垫置泡沫用于支撑，例如，中国电子科技集团公司第十六研究所，李大志，王生旺，杨红梅.S / X波段低损耗波导真空窗技术研究[J].低温与超导.2011，第39卷、第12期中所述设计，虽然保证了密封材料的安全性，但对进入窗口的电磁波有一定插损。1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦的微波窗口，其形状为圆形，直径为125mm，选用的密封材料是聚酯薄膜。该薄膜厚度为0.2mm，差损为0.05dB，噪声为0.35k。该材料满足力学性能要求，且不需要在薄膜下方垫放支撑物体。第三，微波窗口内外温差极大，虽 然选用的密封薄膜在广泛的温度范围内可以保持良好的物理性能和收缩率，但由于空气中存在水蒸气，当用于密封杜瓦顶端微波窗口的聚酯薄膜和外界空气直接接触时，空气中的水蒸气会在薄膜处遇冷凝结。而微波窗口是原始射频信号最先进入接收机的位置，水蒸气在该位置的凝结，势必会影响接收机的接收性能。因此我们在微波窗口和外界空气接触的位置设计一个干空气腔体，通过给该腔体时刻注入新鲜、干燥的空气，用小的泄露来排除腔体内部陈旧气体(可能含有水汽)。这样，微波窗口与外界就始终被干燥的空气隔离开，从而避免了水蒸气在该位置的遇冷凝结； 所述软连接，用于连接杜瓦内部的气缸和背架，而气缸是制冷机最先制冷的位置，因此连接气缸的软连接也用来导热。与美国EVLA的1.3厘米波段制冷接收机杜瓦中仅起导热作用的冷带相比较，由于1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦内部器件众多，本发明的软连接在导热作用的前提下，还能便于调整屏蔽罩内部器件安装，降低杜瓦内部的振动及噪声，并可对因温度变化引起的热胀冷缩起补偿作用；
所述背架、支架及环形固定架:背架，选用材料是无氧铜，用于支撑和固定屏蔽罩内部各个微波器件。这里所述的微波器件，为馈源、过渡导波、圆方转换器、极化器、波导同轴转换器、低噪声放大器、半刚性同轴电缆，各微波器件通过螺丝相互连接在一起。结合它们各自的形状设计出来的特殊背架，由于其选用材料无氧铜有很好的加工性能和低温性能，可以很好的在屏蔽罩内的低温环境下起到支撑和固定的作用。支架选用环氧树脂玻璃纤维复合材料，根据新疆南山25米射电望远镜馈源仓的内部设计，1.3厘米波段接收机的安装位置在天线改变俯仰角度时，会向右侧倾斜，因为各微波器件是相互连接的，所以支架对屏蔽罩内部的整体器件起到了右侧支撑的作用。由于支架是从杜瓦腔连接至屏蔽罩内的，也需要避免热量的载入，支架选用的材料有很好的隔热性能和机械加工性能，可以很好的运用于此；环形固定架选用环氧树脂玻璃纤维复合材料，该环形固定架上部伸出屏蔽罩，内部嵌套屏蔽罩部分所属的环形腔体，环形固定架下部伸入屏蔽罩，并与屏蔽罩顶端窗口和馈源法兰相连接。该环形固定架的作用是从杜瓦腔的上端固定屏蔽罩和馈源，用于隔离馈源伸出屏蔽罩这部分的热辐射，保证馈源整体的制冷效果，也更加坚固了杜瓦腔内的机械结构。
图1为本发明1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦结构示意 图2为本发明正面 图3为本发明微波窗口结构示意 图4为本发明微波窗口外观结构不意 图5为本发明馈源结构 示意 图6为本发明软连接结构示意 图7为本发明背架结构示意 图8为本发明支架结构示意 图9为本发明环形固定架结构示意图。
具体实施方式
实施例本发明所述的一种1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，是由杜瓦腔、屏蔽罩、微波窗口、背架、支架、环形固定架、软连接、馈源、过渡波导、圆方转换器、极化器、低噪声放大器、波导同轴转换器、隔离器、半刚性同轴电缆、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体、干空气腔体密封薄膜、干空气腔体紧固圈、气缸和制冷机组成，在杜瓦腔I顶端开设一个微波窗口 3，馈源8在杜瓦腔I内部穿过屏蔽罩2正对向微波窗口 3，微波窗口 3由微波窗口密封薄膜16密封，密封薄膜16由微波窗口紧固圈17通过螺丝固定在杜瓦腔I的顶部，杜瓦腔I的顶端设有干空气腔体18，其内部填充干燥空气用来隔离微波窗口 3与空气的直接接触，干空气腔体18的上部用干空气腔体密封薄膜19密封，并用干空气腔体紧固圈20固定，微波窗口 3直径为125mm，微波窗口密封薄膜16选用厚度为0.2mm的聚酯薄膜，环形固定架6上部固定在杜瓦腔I的顶端，环形固定架6的中间固定屏蔽罩2,环形固定架6的下端与馈源8的法兰盘连接，背架4的后端与软连接7连接，软连接7的一端固定在背架4上，另一端固定在气缸21上，气缸21设置在背架4的后面，背架4的顶端通过法兰连接馈源8和过渡导波9，过渡波导9的另一端通过法兰与圆方转换器10 —端连接，圆方转换器10的另一端与极化器11连接，极化器11的左右输出端依次对称连接隔离器14、波导同轴转换器13、低噪声放大器12及半刚性同轴电缆15，在背架4的下部对称固定低噪声放大器12及波导同轴转换器13，半刚性同轴电缆15的输出端穿过杜瓦腔I与杜瓦以外的常温微波单元连接，支架5的一端固定在杜瓦腔I的内壁上，另一端通过屏蔽罩2固定在圆方转换器10的法兰盘上，背架4选用无氧铜材料，支架5，环形固定架6选用环氧树脂玻璃纤维复合材料，杜瓦腔I为方形，正面开口，屏蔽罩2选用镀金无氧铜材料，为方形设计，正面开Π ；
使用时，1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦的操作有两步:第一步，采取分子泵与油泵结合的方式抽取真空，确保杜瓦内部残存的空气分子不能将外部的热量传递到制冷系统中，继而使杜瓦内部器件表面不被氧化，从而减弱制冷系统的热量载入；当真空度保持稳定，好于0.01 mbar、测试漏率好于10_4mbar.1/s时，关闭阀门，撤除分子泵与油泵，抽取真空完毕；第二步，开启制冷机22对接收机杜瓦制冷，将压缩体积后的氦气注入汽缸21，氦气在汽缸21内体积膨胀而吸收热量，吸收热量后的氦气经循环将热量带出，达到制冷效果，在这个过程中打开干空气系统，为干空气腔体18提供干燥空气，避免微波窗口 3处水汽凝结，当制冷温度达到20K以下且稳定时，该杜瓦便可以投入观测；在观测过程中，制冷环节一直进行，原始信号的传输依次经过微波窗口 3、馈源8、过渡导波9、圆方转换器10、极化器11、隔离器14、波导同轴转换器13、低噪声放大器12，经放大后的信号最终通过半刚性同轴电缆15从杜瓦腔I输出到杜瓦以外的常温微波单元。本发明所述的1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，最终制冷温度达到16K，制冷时间8个半小时， 真空度约为0.1 μ bar，真空漏率10_5mbar.1/s。
权利要求
1.一种短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于是由杜瓦腔、屏蔽罩、微波窗口、背架、支架、环形固定架、软连接、馈源、过渡波导、圆方转换器、极化器、低噪声放大器、波导同轴转换器、隔离器、半刚性同轴电缆、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体、干空气腔体密封薄膜、干空气腔体紧固圈、气缸和制冷机组成，在杜瓦腔(I)顶端开设一个微波窗口(3)，环形固定架(6)上部固定在杜瓦腔(I)的顶端，环形固定架(6)的中间固定屏蔽罩(2)，环形固定架(6)的下端与馈源(8)的法兰盘连接，背架(4)的后端与软连接(7)连接，背架(4)的顶端通过法兰连接馈源(8)和过渡导波(9)，过渡波导(9)的另一端通过法兰与圆方转换器(10) —端连接，圆方转换器(10)的另一端与极化器(11)连接，极化器(11)的左右输出端分别对称依次连接隔离器(14)、波导同轴转换器(13)、低温低噪声放大器(12)及半刚性同轴电缆(15)，在背架(4)的下部对称固定低噪声放大器(12)及波导同轴转换器(13)，半刚性同轴电缆(15)的输出端穿过杜瓦腔(I)与杜瓦以外的常温微波单元连接。
2.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于馈源(8)在杜瓦腔(I)内部，穿过屏蔽罩(2)正对向微波窗口(3)。
3.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于微波窗口(3)由微波窗口密封薄膜(16)密封，密封薄膜(16)由微波窗口紧固圈(17)通过螺钉固定在杜瓦腔(I)的顶部，杜瓦腔(I)的顶端设有干空气腔体(18 )，其内部填充干燥空气用来隔离微波窗口(3)与空气的直接接触，干空气腔体(18)的上部用干空气腔体密封薄膜(19)密封，并用干空气腔体紧固圈(20)固定。
4.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于微波窗口(3)直径为125mm，微波窗口密封薄膜(16)选用厚度为0.2mm的聚酯薄膜。
5.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于软连接(7)的一端固定在背架(4)上，另一端固定在气缸(21)上，气缸(21)设置在背架(4)的后面。
6.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于支架(5)的一端固定在杜瓦腔(I)的内壁上，另一端通过屏蔽罩(2)固定在圆方转换器(10)的法兰盘上。
7.根据权利要求1所述的短 厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于杜瓦腔(I)为方形，正面开口，屏蔽罩(2)选用镀金无氧铜材料，为方形设计，正面开口。
8.根据权利要求1所述的短厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，其特征在于背架(4)选用无氧铜材料，支架(5)和环形固定架(6)选用环氧树脂玻璃纤维复合材料。
全文摘要
本发明涉及一种在射电天文中用于分子谱线、脉冲星及VLBI观测的1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，该接收机杜瓦是由杜瓦腔、屏蔽罩、微波窗口、背架、支架、环形固定架、软连接、馈源、过渡波导、圆方转换器、极化器、低噪声放大器、波导同轴转换器、隔离器、半刚性同轴电缆、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体、干空气腔体密封薄膜、干空气腔体紧固圈、气缸和制冷机组成，该杜瓦的设计方案更合理，可以保证良好的密封性，对内部器件也有很好的固定及支撑作用，制冷效果更优越，稳定性更好，灵敏度更高，为一种有效隔离热辐射的、高灵敏度的1.3厘米波段双极化制冷接收机杜瓦，从而可以更好的用于分子谱线、脉冲星高频辐射特性研究及VLBI等射电天文观测。
文档编号H04B1/08GK103248375SQ20131020242
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月28日 优先权日2013年5月28日
发明者陈卯蒸, 马军, 奥特玛·劳赫纳, 王凯, 王娜 申请人:中国科学院新疆天文台