射電天文終端電子設(shè)備輻射特性測(cè)試

劉 奇，王 凱，王 洋，劉 烽

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

射電天文終端電子設(shè)備輻射特性測(cè)試

劉 奇1，2，王 凱1，2，王 洋1，2，劉 烽1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

針對(duì)新疆烏魯木齊市南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡終端電磁屏蔽改造，以及新疆?dāng)M建的110 m射電望遠(yuǎn)鏡電磁兼容性設(shè)計(jì)等需求，開發(fā)了電子設(shè)備輻射特性測(cè)試系統(tǒng)，基于標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Agilent346C，運(yùn)用Y因子法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)關(guān)閉其它電子設(shè)備，分別打開和關(guān)閉測(cè)試設(shè)備獲得環(huán)境電平頻譜和設(shè)備輻射頻譜；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理、成圖與分析；給出了25 m射電望遠(yuǎn)鏡典型終端電子設(shè)備的輻射頻譜。針對(duì)終端電子設(shè)備輻射特性測(cè)試與分析，對(duì)系統(tǒng)電磁屏蔽改造提供重要依據(jù)。

電子設(shè)備；測(cè)試系統(tǒng)；輻射頻譜

CN53－1189/P ISSN1672－7673

我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72－85[1]規(guī)定，電磁兼容性是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力；它反映的是設(shè)備或系統(tǒng)承受電磁騷擾時(shí)能正常工作，同時(shí)又不產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定限值的電磁騷擾。它是設(shè)備或系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，也是保障系統(tǒng)的工作效能和提高系統(tǒng)可靠性的重要因素。

隨著高頻電子技術(shù)、高速數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字接收機(jī)、數(shù)字終端、商用設(shè)備、電氣設(shè)備和各種線纜的引入使系統(tǒng)電磁環(huán)境變得尤為復(fù)雜。射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)天線、饋源、接收機(jī)、傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理終端等完成數(shù)據(jù)的接收與數(shù)據(jù)處理，其中天線、饋源、傳輸系統(tǒng)為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，易受到外界電子設(shè)備輻射信號(hào)的影響；另外，射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)內(nèi)共存有天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、饋源倉(cāng)、終端數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室、監(jiān)控系統(tǒng)及其他電氣設(shè)備等，這些設(shè)備的電磁輻射通過(guò)天線旁瓣進(jìn)入接收系統(tǒng)[2]，降低系統(tǒng)的信噪比，影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及研究工作。

天文學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)這樣一種事實(shí):射頻干擾的強(qiáng)度和頻譜密度使觀測(cè)結(jié)果深受射頻干擾的影響以致失去使用價(jià)值。利用單天線射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)(連續(xù)譜或光譜)最易受到干擾的影響，原因是積分時(shí)間的增加提高了望遠(yuǎn)鏡對(duì)天文信號(hào)的靈敏度，但也同等程度地提高了其對(duì)射頻干擾信號(hào)的靈敏度。射頻干擾不僅會(huì)影響某些觀測(cè)或特定觀測(cè)類型的質(zhì)量，而且還會(huì)限制射電天文臺(tái)的總體效率，加大了觀測(cè)時(shí)間、處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。

鑒于南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址電磁環(huán)境不斷惡化的現(xiàn)狀，通過(guò)電磁屏蔽與濾波技術(shù)緩解射頻干擾迫在眉睫。而有針對(duì)性地對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行屏蔽和濾波處理，抑制電子設(shè)備輻射，可改善電磁環(huán)境，提高系統(tǒng)信噪比。對(duì)電子設(shè)備的輻射特性進(jìn)行測(cè)試與分析可深入了解設(shè)備之間的輻射特性和相互耦合特性，為南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡電磁兼容性改造及系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由對(duì)稱周期天線、前置放大器、噪聲源、頻譜儀和計(jì)算機(jī)組成，測(cè)試原理如圖1，定向天線接收的射頻信號(hào)通過(guò)前置放大器放大后進(jìn)入頻譜儀，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制頻譜儀，實(shí)現(xiàn)頻譜儀自動(dòng)控制和測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)；采用標(biāo)準(zhǔn)噪聲源Agilent 346C[3]對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得測(cè)試系統(tǒng)噪聲溫度和系統(tǒng)增益；通過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效校準(zhǔn)與成圖。

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖2，圖2(a)為系統(tǒng)校準(zhǔn)實(shí)物圖，圖2(b)為系統(tǒng)測(cè)試實(shí)物圖。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表1。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.1 The schematic diagram of the measurement system

1.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)原理

系統(tǒng)校準(zhǔn)采用Y-Factor方法，超噪比(ENR)定義為噪聲源開關(guān)之間的溫度差與標(biāo)準(zhǔn)溫度的比值[5]，標(biāo)準(zhǔn)溫T0為290 k，超噪比通常用dB表示:

Y因子定義為開與關(guān)噪聲源時(shí)器件的輸出功率比:

噪聲系數(shù)(NF)定義為總的輸出噪聲功率與有輸入源時(shí)輸出功率的比值，其中，Pa為測(cè)試器件內(nèi)在噪聲功率；KT0BG為器件增益引起的熱噪聲。

表1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)[4]Table 1 The parameters and technical indices of the devices of the measurement system[4]

圖2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖.(a)系統(tǒng)校準(zhǔn)；(b)系統(tǒng)測(cè)試Fig.2 Pictures of the measurement system.(a)The system when being calibrated.(b)The system in a test measurement

圖3為線性系統(tǒng)輸出噪聲功率隨輸入噪聲變化曲線，斜率為KBG，用公式表示為:

代入ENR和Y因子:

圖3 線性系統(tǒng)Fig.3 The linear response of the system

解出:

1.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

圖4為系統(tǒng)校準(zhǔn)的實(shí)物圖，頻譜儀直流28 V為噪聲源供電，噪聲源連接低噪聲放大器，低噪聲放大器通過(guò)射頻線纜接入頻譜儀。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)見表2，頻譜儀設(shè)置如下:

分辨率帶寬:3 MHz

視頻濾波器帶寬:10 MHz

掃描時(shí)間:200 ms 測(cè)試帶寬:0

頻譜儀前置放大器:關(guān)閉

檢波方式:RMS 測(cè)試溫度:19°

圖4 系統(tǒng)校準(zhǔn)測(cè)試圖Fig.4 A picture showing the system being calibrated

表2 測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 The measurement data in the calibration of the system

基于測(cè)試系統(tǒng)的分辨率帶寬設(shè)置，采用線性插值獲得380～2 980 MHz內(nèi)ENR值，數(shù)據(jù)處理后獲得測(cè)試系統(tǒng)溫度和系統(tǒng)增益，如圖5。

圖5 系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理.(a)系統(tǒng)噪聲溫度；(b)系統(tǒng)增益Fig.5 Processed data from the calibration of the system.(a)Data for the temperatures of the system. (b)Data for the gain values of the system

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 測(cè)試方法與數(shù)據(jù)處理

由于臺(tái)站內(nèi)電子設(shè)備的主要干擾帶寬分布在3 GHz以下[6]，考慮到所使用的對(duì)稱周期天線帶寬為380 MHz～8 GHz，干擾測(cè)試帶寬定為380 MHz～3 GHz；為提高系統(tǒng)靈敏度，采用在線積分方式[5]，積分時(shí)間2 s，設(shè)備輻射測(cè)試具體設(shè)置如下:

由于終端實(shí)驗(yàn)室設(shè)備眾多，電磁環(huán)境復(fù)雜，且沒有設(shè)備輻射特性測(cè)試的電波暗室。故測(cè)試方法為關(guān)閉所有終端實(shí)驗(yàn)室電子設(shè)備，通過(guò)打開和關(guān)閉需要測(cè)試的電子設(shè)備，獲得設(shè)備兩種狀態(tài)的頻譜。

通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)獲得系統(tǒng)噪聲溫度和系統(tǒng)增益，數(shù)據(jù)處理后獲得電子設(shè)備輻射到測(cè)試天線位置處的實(shí)際功率:

式中，PSA為頻譜儀接收功率；Gsystem為系統(tǒng)總增益；Gantenna為天線增益；GR為接收系統(tǒng)增益。

數(shù)據(jù)處理程序基于Matlab軟件，數(shù)據(jù)處理流程如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 The block diagram of data processing

2.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果橫坐標(biāo)為頻率；縱坐標(biāo)為幅度。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試及數(shù)據(jù)處理，獲得距離電子設(shè)備1 m處的輻射功率，測(cè)試結(jié)果對(duì)于分析設(shè)備輻射特性已經(jīng)滿足，并沒有采用縱坐標(biāo)為頻率、橫坐標(biāo)為譜流量密度的成圖方法。

測(cè)試結(jié)果為數(shù)據(jù)點(diǎn)合成圖，測(cè)試數(shù)據(jù)為每個(gè)分辨率帶寬采集1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將380～2 980 MHz分為380～1 060 MHz、1 060～2 020 MHz和2 020～2 980 MHz 3個(gè)頻段。每個(gè)測(cè)試設(shè)備的測(cè)試結(jié)果分為3個(gè)頻譜圖，從而覆蓋整個(gè)測(cè)試帶寬，分別獲得設(shè)備打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的頻譜。

數(shù)字消色散系統(tǒng)為脈沖星和分子譜線觀測(cè)終端，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和濾波處理。圖7為數(shù)字消色散系統(tǒng)的測(cè)試頻譜圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)大幅提高環(huán)境噪聲，對(duì)于1 600～2 980 MHz頻段尤為明顯，最高可提高環(huán)境電平30 dB左右。圖8為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器電磁輻射頻譜，從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開機(jī)時(shí)大幅提高環(huán)境噪聲，在1 600～2 000 MHz和2 200～2 500 MHz頻段尤為明顯，背景噪聲提高20 dB左右；此外，輻射信號(hào)包含較強(qiáng)的窄帶干擾，信號(hào)幅度最高達(dá)－72 dBm，隨著頻率的升高信號(hào)幅度明顯下降。

圖7 數(shù)字消色散系統(tǒng)Fig.7 Spectra measured for the pulsar-observation backend.(a)Spectrum from 380MHz to 1060MHz.(b)Spectrum from 1060MHz to 2020MHz.(c)Spectrum from 2020MHz to 2980MHz

圖8 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Fig.8 Radiation spectra of the network server.(a)Spectrum from 380MHz to 1060MHz.(b)Spectrum from 1060MHz to 2020MHz.(c)Spectrum from 2020MHz to 2980MHz

3 小 結(jié)

開發(fā)了終端電子設(shè)備輻射特性測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)南山25 m射電望遠(yuǎn)鏡終端電子設(shè)備進(jìn)行輻射特性測(cè)試，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理、成圖與分析；射電天文用觀測(cè)終端和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器輻射可大幅提高環(huán)境電平，干擾信號(hào)通過(guò)天線旁瓣進(jìn)入射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)，降低系統(tǒng)信噪比；有必要對(duì)觀測(cè)終端及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行屏蔽和濾波處理，以改善電磁環(huán)境，提高系統(tǒng)的信噪比。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB72－85:電磁干擾和電磁兼容性名詞術(shù)語(yǔ)[S].1986.

[2] RECOMMENDATION ITU-R RA.769－2.Protection criteria used for radio astronomical measurement [S].2003.

[3] Operating and service manual agilent 346A/B/C noise source[EB/OL].Agilenttechnology. [2013-11-16].http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/00346-90148.pdf.

[4] Rauscher C.Fundamentals of spectrum analysis[EB/OL].2001[2013-11-16].http://www.rohde-schwarz.com.

[5] PMillenaar R.SSSM system design considerations[EB/OL].2006[2013-11-16].http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/05517-90103.pdf.

[6] Fisher J R.RFI radiation limits in the vicinity of the GBT[EB/OL].[2013-11-16].http://www.cv.nrao.edu/～rfisher/Interference/gbt＿limits.pdf.

Measurements of Radiation Characteristics of a Set of Electronic Backend Devices for Radio Astronomy

Liu Qi1，2，Wang Kai1，2，Wang Yang1，2，Liu Feng1，2
(1.Xinjiang Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China，Email:liuqi＠xao.ac.cn；2.Key Laboratory of Radio Astronomy，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China)

In the developing radio astronomy increasingly more high-speed digital backend systems and control systems are being used，worsening electromagnetic environments for observation.Measurement of radiation characteristics of such electronic devices can help mitigate Radio Frequency Interferences(RFI)with the shielding technology.To meet the requirements of electromagnetic compatibility of the system improvement for the XJAO(Xinjiang Astronomical Observatory)Nanshan 25m telescope and the design of the planned XJAO 110m telescope，we have developed a system to measure radiation characteristics of electronic devices in radio astronomy.We have calibrated the system using a noise source Agilent 346C and the Y-factor method.Using the system we can obtain the radiation spectra of each electronic device in its on and off statuses with other devices turned off.We present some processed spectra of the backend systems of the Nanshan 25m telescope so measured by this system.The presentation includes their calibration and plots.The spectra show the radiation characteristics.Overall our system can provide RFI data for effective analyses，and thus it can appreciably help improving and designing systems in radio astronomy.It should have significant engineering applications.

Radiation characteristics；Electronic devices；Measurement system

TN978

A

1672－7673(2014)03－0218－06

2013－11－14；

2013－11－18

劉 奇，男，工程師.研究方向:射頻干擾測(cè)試、緩解技術(shù)、微波技術(shù)的研究.Email:liuqi＠xao.ac.cn