一種適用于SKA低頻孔徑陣列的接收模塊設(shè)計(jì)

陶小輝 李莊 榮大偉 姜力暉 曹銳

摘要：本文介紹了一種高集成度SKA低頻孔徑陣列接收模塊設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)射頻鏈路設(shè)計(jì)角度分析了接收模塊指標(biāo)需求，針對(duì)32通道接收模塊的測(cè)試結(jié)果表明，模塊增益約18dB，PldB約14dBm，OIP3優(yōu)于25dB。

關(guān)鍵詞：低頻孔徑陣列，射頻鏈路，接收模塊

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）21-0215-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（0SID）：

1 引言

平方公里陣列SKA（Square Kilometer Array）是國(guó)際上即將建造的最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，其接收面積可達(dá)1平方公里，頻率覆蓋70MHz-IOGHz（可擴(kuò)展至25GHz），比目前最大厘米波綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡JVLA（Jansky Very Large Array）靈敏度提高50倍，搜尋速度提高10000倍。SKA擬由包括100萬(wàn)支天線單元的低頻孔徑陣列（Low Frequency Aperture Array，LFAA）、2500面拋物面天線（Dishes）陣列以及中頻孔徑陣列（Mid Fre-quency Aperture Array。MFAA）組成，分布在3000公里基線內(nèi)形成望遠(yuǎn)鏡陣列。

本文針對(duì)SKA低頻孔徑陣列射頻鏈路進(jìn)行了分析，提出了鏈路中接收模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)該指標(biāo)研制了一種高集成度32通道接收模塊，并給出了測(cè)試結(jié)果。

2 接收模塊設(shè)計(jì)分析

射電天文裝置中模擬或數(shù)字接收機(jī)需要靠近天線，將天線接收的電磁信號(hào)進(jìn)行放大、濾波并最終調(diào)制為光信號(hào)，通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)，再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)和波束合成。射頻鏈路包括：低噪放（靠近天線）、前端、接收模塊。針對(duì)射頻鏈路的系統(tǒng)噪聲基底和預(yù)期的最大信號(hào)功率進(jìn)行分析，從而確定射頻接收鏈路中接收模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.1 接收模塊增益分析計(jì)算

系統(tǒng)工作頻率范圍為50MHz-350MHz，因此接收鏈路在350MHz時(shí)的噪聲系數(shù)可必須優(yōu)于0.6ldB，其對(duì)應(yīng)的接收機(jī)噪聲溫度為44K。在較低頻點(diǎn)（如100MHz）噪聲系數(shù)可能高達(dá)1.7dB，對(duì)于工作頻率范圍的低頻段甚至更高。假設(shè)最糟糕的情況下，接收通道和AD增加的總噪聲仍低于LNA噪聲的10%，下面評(píng)估的射頻載光纖（RFoF）鏈路可以滿足更嚴(yán)格的要求。

工作頻率范圍內(nèi)（50MHz-350MHz）總（最大）噪聲功率計(jì)算如下，其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，1.38x10^-23J/k。

由（1）可知，單天線的噪聲為-86dBm，總系統(tǒng)噪聲可由式（2）計(jì)算得到，在工作頻率范圍內(nèi)的總等效輸入噪聲基底（包括輸入?yún)⒖冀邮諜C(jī)噪聲）為-85.4dBm。

天線的輸入功率為-85.4dBm，為了在AD輸入端口得到一10.5dBm信號(hào)，鏈路總增益為75dB，通過(guò)從鏈路增益中減去LNA的40dB增益，得到接收模塊的增益為35dB。

2.2 接收模塊噪聲系數(shù)分析計(jì)算

因此，ADC噪聲系數(shù)要求最高為47dB。如果滿足該要求，則在RF鏈分析的噪聲考慮中可以完全忽略ADC噪聲。如果無(wú)法滿足，則必須相應(yīng)地增加RFoF噪聲要求。

3 硬件設(shè)計(jì)與研制

該接收模塊的硬件多為需要重新研發(fā)的器件，例如市面上現(xiàn)有的光模塊電性能指標(biāo)可以滿足系統(tǒng)需求，但往往功耗較高，需要針對(duì)低功耗進(jìn)行新研;開(kāi)關(guān)濾波器組是將300MHz帶通濾波器和開(kāi)關(guān)集成在一起進(jìn)行選通使用，但是接收模塊的尺寸為6U，必須對(duì)開(kāi)關(guān)濾波器組進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，雖然常規(guī)的波導(dǎo)濾波器能夠滿足帶寬要求，但體積太大不適合安裝，半集總器件的LC濾波器體積較小，但帶寬受限，需要在設(shè)計(jì)中充分考慮帶寬和體積的矛盾。

3.1 開(kāi)關(guān)濾波器

開(kāi)關(guān)濾波器用于ADC采樣前的抗混疊濾波，對(duì)其帶外抑制、帶內(nèi)波動(dòng)等特性要求很高。開(kāi)關(guān)濾波器的選型主要的決定因素是開(kāi)關(guān)濾波器的體積指標(biāo)，由于6U板卡需要集成32個(gè)工作頻率50-350MHz的寬帶開(kāi)關(guān)濾波器組，所以小體積是對(duì)該器件的基本的要求，經(jīng)過(guò)綜合比較，LC濾波器是較為合適的選擇。

3.2 射頻放大電路設(shè)計(jì)

由于接收模塊輸入端口采用射頻光信號(hào)，其插損約為26dB，為保證接收模塊15dB增益，射頻放大電路采用三級(jí)放大器設(shè)計(jì)，同時(shí)，為了便于調(diào)整每個(gè)通道的增益，在第二級(jí)放大器后安裝了15dB數(shù)控衰減器。通過(guò)配置合適的放大器以及衰減器，可以滿足系統(tǒng)需求。

3.3 硬件研制

根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析，研制出32通道接收模塊，其中射頻輸入端口采用2個(gè)MPO光接口，輸出端口采用4個(gè)8通道射頻連接器輸出32路射頻信號(hào)，如圖1所示。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)研制的32通道接收模塊的通道增益、PldB、OIP3進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，如圖2所示。

本文介紹了一種適用于SKA低頻孔徑陣列的高集成度接收模塊設(shè)計(jì)，并研制了原理樣機(jī)，給出測(cè)試結(jié)果，其性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡SKA低頻數(shù)字陣列系統(tǒng)研究[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（12）：1600-1614.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

作者簡(jiǎn)介：陶小輝（1981-），男，高級(jí)工程師，博士在讀，研究方向：主要從事孔徑陣列系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)。