TM65 m射電望遠鏡低頻段系統(tǒng)噪聲溫度測試和分析?

王錦清12虞林峰12 趙融冰12 蔣棟榮12 婁方汛123勞保強123 李 斌12 董 健12 范慶元12 錢志翰12劉慶會12 蔣甬斌12

(1中國科學院上海天文臺上海200030)

(2中國科學院射電天文重點實驗室南京210008)

(3桂林電子科技大學桂林541004)

TM65 m射電望遠鏡低頻段系統(tǒng)噪聲溫度測試和分析?

王錦清1,2?虞林峰1,2 趙融冰1,2 蔣棟榮1,2 婁方汛1,2,3勞保強1,2,3 李 斌1,2 董 健1,2 范慶元1,2 錢志翰1,2劉慶會1,2 蔣甬斌1,2

(1中國科學院上海天文臺上海200030)

(2中國科學院射電天文重點實驗室南京210008)

(3桂林電子科技大學桂林541004)

首先介紹了天馬65 m射電望遠鏡(簡稱TM65 m)接收系統(tǒng),包括L、S、C、X 4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鍵因素進行了分析,包括非線性誤差、饋源網絡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0.2 K左右.最后給出了TM65 m 4個低頻段系統(tǒng)噪聲溫度的實測結果,并進行了分析.

大氣效應,技術:雷達天文,宇宙背景

1 引言

TM65 m是目前國內口徑最大的實面射電望遠鏡,其工作波段有L、S、C、X、Ku、K、Ka、Q 8個,幾乎覆蓋50 GHz以下70%頻率范圍,也是目前國內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構,主面直徑65 m,并且具有主動面結構,用于高頻觀測時補償面形的重力變形.目前該天線已經配備了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(Low Noise Ampli fi er)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,現在TM65 m上的設計已經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?？蛇_約30 dB,后級鏈路的噪聲將被弱化1 000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.

2 測試方法描述

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300 K和77 K的物理溫度,ΓA和ΓR分別表示極化器和LNA的反射系數,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,簡易表示如下:

其中Tsys為整個天線系統(tǒng)噪聲溫度,Tfeed為常溫下饋源網絡(包含極化器)插入損耗對應的等效噪聲溫度;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,因為并未考慮級聯問題,只有當級聯部件的插入損耗小于0.1 dB時可以近似使用,后文的結論表明這種近似算法帶來的Tsys誤差約為0.035 K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個頻段饋源網絡和接收機的關鍵測試指標.

2.1 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300 K(T300)常溫和77 K(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上述兩個溫度負載,記錄兩個物理溫度輸入時對應的輸出功率的比,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.

表1 4個低頻段接收機關鍵性能測試Table 1 The critical performance tests for the receivers at four low-frequency bands

圖1 鏈路信號傳遞及系統(tǒng)溫度組成Fig.1 The signal transmission and system temperature composition

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絡的等效噪聲溫度,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,而在卡塞格林結構的cm波段大型射電望遠鏡系統(tǒng)中,由于饋源口徑很大,以TM65 m為例,L、C、S/X的饋源口面尺寸依次為:1.6 m、0.66 m、0.91 m,常用的黑體尺寸通常在0.5 m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Y 2因子通常很大(有10 dB以上),并且Tfeed+TR在實驗室通常已經有測量值,后文用于校正噪聲源的方法正是基于這一基礎.

2.1.2 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(65 m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].

2.1.3 采用定標噪聲源法

這種方法在本質上與冷熱負載法一致,并且在cm波段接收系統(tǒng)上應用已經十分普遍[4],一般通過在接收機LNA前端耦合入1個已知噪聲溫度為Tcal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;P0為接收系統(tǒng)零點功率讀數;Pn為天線指向天空背景時開啟噪聲源后的功率讀數.

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Tcal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0.5～1 K,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Tcal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Tcal取高一檔時, Tcal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測量結果.

為了準確確定Tcal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.

表2 4個波段的定標噪聲Tcal及誤差Table 2 The calibrated noiseTcaland errors for the four bands

2.2 采用單個常溫負載的測量及Tcal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10 dB以上,Tfeed+TR和T300的測量值即使有一定的誤差,對Tsys的測量結果也只有約的誤差貢獻.因此采用該方法反推定標噪聲值Tcal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和饋源網絡噪聲溫度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0.5 K誤差,接收機和饋源網絡的等效噪聲溫度TR+Tfeed有實驗室測量值可以參考.由表1可知在20 K以下,假定誤差為10%,則TR+Tfeed為2 K.如果Y因子為10 dB,在此情況下,此兩項對Tsys的測量誤差貢獻不會超過0.25 K.另外Y因子是直接測量比值,對于線性系統(tǒng),假設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0.5 K以內.表3給出了TM65 m上4個波段實際測量時天頂方向的系統(tǒng)溫度值及Tcal反演誤差情況,與表2中Tcal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Tcal值,和實驗室獲得的Tcal值的對比,Tcal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Tcal值都有很好的符合度,誤差不超過0.2 K.盡管表2中S波段低一檔的Tcal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0.5 K,估計達到了0.2 K左右;另外一方面說明采用上述反演方法的合理性.

表3 天頂方向Tcal反演誤差Table 3 The reversion error ofTcalin the zenith direction

圖2 S波段實驗室定標溫度值和Y因子法反演得到的Tcal值對比Fig.2 The temperature ofTcalcalibrated in the laboratory at S band vs the reversed value ofTcalwith the Y factor method of blackbody absorber

2.3 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,已經假設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)現鏈路有飽和現象,可以調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300 K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,后者的增益太大導致了T300輸入時鏈路進入了飽和區(qū)域,由此導致Y因子測量誤差取決于圖4中的壓縮量δ=6353.根據(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,這個誤差最終體現在Tsys的測量結果上就是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).

圖3 接收鏈路處于線性工作區(qū)Fig.3 The receiving link in linear work areas

圖4 T300輸入時接收鏈路處于飽和工作區(qū)Fig.4 The receiving link in saturation work areas with theT300input

2.4 饋源網絡插入損耗和失配導致的誤差

2.4.1 饋源網絡插入損耗對近似算法的誤差影響

由于饋源網絡插入損耗的存在,其與致冷LNA的級聯可以簡化為放大器前串入有耗傳輸線的典型模型,見圖5.假設饋源網絡的插入損耗為L(dB),對應的增益為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=Tfeed+TR作比較,當前4個波段的饋源網絡插入損耗普遍小于0.1 dB,由此可以得到簡易算法的計算誤差與接收機噪聲的關系,見圖6.根據表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15 K(L、C以及X波段即使包含極化器也小于15 K),近似算法誤差小于0.35 K,在Y因子為10 dB的情況下,由此導致的Tsys測量誤差為0.035 K,見(10)式.因此,采用(1)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0.1 K.

圖5 LNA前串入有耗傳輸線Fig.5 The lossy transmission inserts before LNA

圖6 接收機噪聲溫度近似算法誤差Fig.6 The error of the receiver’s noise temperature with the approximation algorithm

2.4.2 饋源網絡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間的失配導致的噪聲抬升進行分析,定義失配系數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ΓA為極化器輸出口的反射系數;ΓR為致冷LNA輸入口的反射系數.

通常情況下,ΓA和ΓR的相位關系不會測量,而用MAR的最大值和最小值來表示,如果用回波損耗參數S11表示反射系數,將

代入(14)式,由此表示失配系數的最小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=?22 dB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、最小失配系數的關系.

圖7 失配系數與LNA的回波損耗關系Fig.7 The mismatch factor vs return loss of LNA

圖8給出了黑體T300溫度從極化器傳遞到致冷LNA時,通過失配系數關系式(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=?22 dB,電壓駐波比VSWR=1.173.可以看到,在回波損耗達到?10 dB時,由于失配系數明顯增大,在最大失配情況下,LNA實際收到的溫度T300只有255 K,相對損失達15%;即使取中間失配系數,可以達到T270,相對損失為10%.

圖8 失配系數對T300輸入的影響Fig.8 The mismatch factor vsT300input

表4給出了TM65 m上4個波段實際測量時,結合表1中的回波損耗參數,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10 dB時,計算失配系數導致的系統(tǒng)溫度測量誤差情況.可以看到,失配導致的噪聲基本在1 K以下,如果系統(tǒng)噪聲本身很低(比如C波段),失配系數導致的相對誤差明顯增大.

表4 失配系數導致的系統(tǒng)噪聲測量誤差Table 4 The measurement errors of the system noise temperature from mismatch factors

2.5 負載噪聲溫度的頻率相關性

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=300 K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8 GHz以下時,這個誤差只有0.2 K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38 GHz時,這個誤差將接近1 K,在高精度測量情況下應當考慮.

其中h為普朗克常量6.6262×10?34;f為工作頻率;k為玻爾茲曼常數1.3806488×10?23;T為物理溫度;TN為與頻率相關的黑體輻射溫度;TC為近似算法的誤差.

圖9 噪聲溫度近似算法誤差隨頻率變化情況Fig.9 The error of the temperature noise with the approximation algorithm vs frequency

2.6 鏈路增益變化問題

接收機鏈路的增益變化會帶來不可預料的測量誤差,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噪聲源的方法,開關時間均為4～5 s,如果在開啟噪聲源時間內增益是穩(wěn)定的,而在關閉噪聲源測量時間內增益發(fā)生了突變,則直接導致測量的不確定性.

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)采用周期開關噪聲源的方法,開關頻率在赫茲級別,這樣可以在更短的時間內進行測量,然后進行積分處理,以平滑由于增益緩慢變化導致的功率檢測誤差.

2.7 大氣亮溫數學模型

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.已有的經驗表明,高的大氣衰減可以導致大氣亮溫的數倍增加,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學模型[5],圖10是TM65 m射電望遠鏡50 GHz以下,在不同天頂角上大氣亮溫的輻射曲線,其中已經包含了2.7 K宇宙背景輻射以及銀河系輻射.輸入的參數為天線位置的海拔、溫度、濕度和氣壓參數.

其中Tb0(ν)為宇宙背景輻射導致的亮溫;ν為頻率;ka(ν,s)為大氣吸收系數;τν(0,s0)為大氣透明度(或稱光深);s為距離;T(s)為溫度.

圖10 對不同天頂角采用模型計算的天空輻射亮溫Fig.10 The sky brightness temperature calculated with the model for di ff erent zenith angles

3 TM65 m L、S、C和X波段系統(tǒng)噪聲溫度分析和測試結果

采用圖1中的參數以及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X 4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,并對數據進行了校準處理.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28 K、50 K、17 K和28 K左右,除了S波段,其余波段的實測結果與表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)饋源網絡的噪聲是由常溫下測試插入損耗轉換得到的,在實際工作中L、C和X 3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學模型計算獲得的,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)L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波段為線極化接收,包括水平極化(L-CH1)和垂直極化(L-CH2),測試頻點為1.527 GHz,測試帶寬為5 MHz;S波段為左右旋接收,左旋極化為S-LCP,右旋極化為S-RCP,測試頻率為2.285 GHz,測試帶寬為20 MHz.從圖11中可以看到S波段的系統(tǒng)噪聲在每個俯仰角上明顯偏高,根據表1中S波段的微波鏈路性能以及圖10中天頂方向的亮溫曲線,則S波段的系統(tǒng)噪聲溫度預計在24.2 K左右,實測結果比理論設計高出了約26 K.對于TM65 m天線, S/X是雙頻饋源,在X波段Tgnd和Tant估計值均為1 K,并且與實測符合良好,我們暫時認為S波段的空間無線電干擾導致了整個噪底的抬升,致使Tgnd與理論嚴重不符,深入的分離研究和實測工作將在后面開展.圖12給出了C和X波段左右旋系統(tǒng)噪聲溫度隨俯仰角的變化情況,其測試頻率分別為4.9 GHz和8.4 GHz,測試帶寬均為20 MHz,可以看到在天頂方向,其實際測試結果分別為17 K和27 K左右,與表5中的估計值相當.

表5 4個波段在天頂方向的系統(tǒng)噪聲溫度估計Table 5 The system noise temperature estimations of the four bands in the zenith direction

圖11 L波段和S波段系統(tǒng)噪聲溫度隨俯仰角變化情況Fig.11 The system noise temperatures for L and S bands changing with elevations

圖12 C和X波段系統(tǒng)噪聲溫度隨俯仰角變化情況Fig.12 The system noise temperatures for C and X bands changing with elevations

致謝感謝南京大學天文與空間科學學院鄭興武教授對論文寫作上的指導.

[1]Rochblatt D,Richter P,Withington P,et al.IPNPR,2007,42:169

[2]Barrs J W M.ITAP,1973,21:4

[3]Williams D R W.A&AS,1973,8:505

[4]Schuster D,Stelzried C T,Levy G S.IREAP,1962,49:286

[5]Medell′?n G C.Antenna Noise Temperature Calculation.SKA Memo 95,2007:1

[6]Weinreb W A,Weimeb S,Mani H.IEEE Aerospace Conference,2007:1-2

[7]Otoshi T Y.IPNPR,2002,42:148

[8]Stelzried C T.TDAPR,1992,42:111

[9]Rohlfs K,Wilson T L.射電天文工具.姜碧溈,譯.北京:北京師范大學出版社,2008:146

Measurements and Analysis of System Noise Temperature of the Low-frequency Bands for the TM65 m Radio Telescope

WANG Jin-qing1,2YU Lin-feng1,2ZHAO Rong-bing1,2JIANG Dong-rong1,2LOU Fang-xun1,2,3LAO Bao-qiang1,2,3LI bin1,2DONG Jian1,2FAN Qing-yuan1,2QIAN Zhi-han1,2LIU Qing-hui1,2JIANG Yong-bin1,2
(1 Shanghai Astronomical Observatory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030)
(2 Key Laboratory of Radio Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)
(3 Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004)

We fi rst present the noise characteristics of the receiving systems including L,S,C,and X bands for the TM65 m radio telescope.The measurement methods for the system temperature have been discussed.The important in fl uences,including the non-linearity error,feed network insertion loss,mismatch errors,and so on for measuring the system noise temperature are analyzed.We have measured the system noise temperatures in four bands with both of the calibrations of noise sources and black body in room temperature.We have estimated the temperatures of the noise sources and compared them with the laboratory values.The di ff erence is around 0.2 K.Finally,the system temperatures of the four bands are measured and analyzed.

atmospheric e ff ects,techniques:radar astronomy,cosmic background radiation

P111;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.01.008

2014-03-26收到原稿,2014-07-03收到修改稿

?國家自然科學基金項目(11303076)資助

?jqwang@shao.ac.cn