应用准光传输方式的毫米波射电日像仪制造技术

本发明专利技术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。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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
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，本专利技术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。本专利技术将本申请人申请的“98226477.1”和“98226478.X”技术专利具体应用于本专利技术系统中，其具体技术方案是本专利技术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。附图及实施例附图说明图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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：殷兴辉，徐之材，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]