射电天文终端电子设备辐射特性测试

刘 奇，王 凯，王 洋，刘 烽

(1.中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

射电天文终端电子设备辐射特性测试

刘 奇1，2，王 凯1，2，王 洋1，2，刘 烽1，2

(1.中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

针对新疆乌鲁木齐市南山25 m射电望远镜终端电磁屏蔽改造，以及新疆拟建的110 m射电望远镜电磁兼容性设计等需求，开发了电子设备辐射特性测试系统，基于标准噪声源Agilent346C，运用Y因子法对系统进行校准。通过关闭其它电子设备，分别打开和关闭测试设备获得环境电平频谱和设备辐射频谱；对测试数据进行了数据处理、成图与分析；给出了25 m射电望远镜典型终端电子设备的辐射频谱。针对终端电子设备辐射特性测试与分析，对系统电磁屏蔽改造提供重要依据。

电子设备；测试系统；辐射频谱

CN53－1189/P ISSN1672－7673

我国国家军用标准GJB72－85[1]规定，电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力；它反映的是设备或系统承受电磁骚扰时能正常工作，同时又不产生超过规定限值的电磁骚扰。它是设备或系统的重要性能指标，也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素。

随着高频电子技术、高速数字处理技术的发展和应用，数字接收机、数字终端、商用设备、电气设备和各种线缆的引入使系统电磁环境变得尤为复杂。射电望远镜通过天线、馈源、接收机、传输系统、数据处理终端等完成数据的接收与数据处理，其中天线、馈源、传输系统为系统的薄弱环节，易受到外界电子设备辐射信号的影响；另外，射电望远镜系统内共存有天线驱动系统、馈源仓、终端数据实验室、监控系统及其他电气设备等，这些设备的电磁辐射通过天线旁瓣进入接收系统[2]，降低系统的信噪比，影响后续的数据处理及研究工作。

天文学家逐渐发现这样一种事实:射频干扰的强度和频谱密度使观测结果深受射频干扰的影响以致失去使用价值。利用单天线射电望远镜进行的观测(连续谱或光谱)最易受到干扰的影响，原因是积分时间的增加提高了望远镜对天文信号的灵敏度，但也同等程度地提高了其对射频干扰信号的灵敏度。射频干扰不仅会影响某些观测或特定观测类型的质量，而且还会限制射电天文台的总体效率，加大了观测时间、处理数据的复杂性。

鉴于南山25 m射电望远镜台址电磁环境不断恶化的现状，通过电磁屏蔽与滤波技术缓解射频干扰迫在眉睫。而有针对性地对电子设备进行屏蔽和滤波处理，抑制电子设备辐射，可改善电磁环境，提高系统信噪比。对电子设备的辐射特性进行测试与分析可深入了解设备之间的辐射特性和相互耦合特性，为南山25 m射电望远镜电磁兼容性改造及系统电磁兼容性设计提供依据。

1 测试系统

测试系统由对称周期天线、前置放大器、噪声源、频谱仪和计算机组成，测试原理如图1，定向天线接收的射频信号通过前置放大器放大后进入频谱仪，通过计算机控制频谱仪，实现频谱仪自动控制和测试数据自动存储；采用标准噪声源Agilent 346C[3]对测试系统进行校准，获得测试系统噪声温度和系统增益；通过数据处理实现数据的有效校准与成图。

测试系统实物如图2，图2(a)为系统校准实物图，图2(b)为系统测试实物图。测试系统设备参数见表1。

图1 测试系统原理Fig.1 The schematic diagram of the measurement system

1.1 系统校准原理

系统校准采用Y-Factor方法，超噪比(ENR)定义为噪声源开关之间的温度差与标准温度的比值[5]，标准温T0为290 k，超噪比通常用dB表示:

Y因子定义为开与关噪声源时器件的输出功率比:

噪声系数(NF)定义为总的输出噪声功率与有输入源时输出功率的比值，其中，Pa为测试器件内在噪声功率；KT0BG为器件增益引起的热噪声。

表1 测试系统设备参数及技术指标[4]Table 1 The parameters and technical indices of the devices of the measurement system[4]

图2 测试系统实物图.(a)系统校准；(b)系统测试Fig.2 Pictures of the measurement system.(a)The system when being calibrated.(b)The system in a test measurement

图3为线性系统输出噪声功率随输入噪声变化曲线，斜率为KBG，用公式表示为:

代入ENR和Y因子:

图3 线性系统Fig.3 The linear response of the system

解出:

1.2 系统校准

图4为系统校准的实物图，频谱仪直流28 V为噪声源供电，噪声源连接低噪声放大器，低噪声放大器通过射频线缆接入频谱仪。通过计算机控制实现系统校准自动测试与数据自动存储，系统校准数据见表2，频谱仪设置如下:

分辨率带宽:3 MHz

视频滤波器带宽:10 MHz

扫描时间:200 ms 测试带宽:0

频谱仪前置放大器:关闭

检波方式:RMS 测试温度:19°

图4 系统校准测试图Fig.4 A picture showing the system being calibrated

表2 测试系统校准测试数据Table 2 The measurement data in the calibration of the system

基于测试系统的分辨率带宽设置，采用线性插值获得380～2 980 MHz内ENR值，数据处理后获得测试系统温度和系统增益，如图5。

图5 系统校准数据处理.(a)系统噪声温度；(b)系统增益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 系统测试

2.1 测试方法与数据处理

由于台站内电子设备的主要干扰带宽分布在3 GHz以下[6]，考虑到所使用的对称周期天线带宽为380 MHz～8 GHz，干扰测试带宽定为380 MHz～3 GHz；为提高系统灵敏度，采用在线积分方式[5]，积分时间2 s，设备辐射测试具体设置如下:

由于终端实验室设备众多，电磁环境复杂，且没有设备辐射特性测试的电波暗室。故测试方法为关闭所有终端实验室电子设备，通过打开和关闭需要测试的电子设备，获得设备两种状态的频谱。

通过系统校准获得系统噪声温度和系统增益，数据处理后获得电子设备辐射到测试天线位置处的实际功率:

式中，PSA为频谱仪接收功率；Gsystem为系统总增益；Gantenna为天线增益；GR为接收系统增益。

数据处理程序基于Matlab软件，数据处理流程如图6。

图6 数据处理流程Fig.6 The block diagram of data processing

2.2 测试结果

测试结果横坐标为频率；纵坐标为幅度。通过实际的测试及数据处理，获得距离电子设备1 m处的辐射功率，测试结果对于分析设备辐射特性已经满足，并没有采用纵坐标为频率、横坐标为谱流量密度的成图方法。

测试结果为数据点合成图，测试数据为每个分辨率带宽采集1个数据点，将380～2 980 MHz分为380～1 060 MHz、1 060～2 020 MHz和2 020～2 980 MHz 3个频段。每个测试设备的测试结果分为3个频谱图，从而覆盖整个测试带宽，分别获得设备打开状态和关闭状态的频谱。

数字消色散系统为脉冲星和分子谱线观测终端，主要进行数据采集和滤波处理。图7为数字消色散系统的测试频谱图，从图中可以看出，系统开机时大幅提高环境噪声，对于1 600～2 980 MHz频段尤为明显，最高可提高环境电平30 dB左右。图8为网络服务器电磁辐射频谱，从图中可以看出，网络服务器开机时大幅提高环境噪声，在1 600～2 000 MHz和2 200～2 500 MHz频段尤为明显，背景噪声提高20 dB左右；此外，辐射信号包含较强的窄带干扰，信号幅度最高达－72 dBm，随着频率的升高信号幅度明显下降。

图7 数字消色散系统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

图8 网络服务器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 结

开发了终端电子设备辐射特性测试系统，针对南山25 m射电望远镜终端电子设备进行辐射特性测试，对测试数据进行了数据处理、成图与分析；射电天文用观测终端和计算机网络服务器辐射可大幅提高环境电平，干扰信号通过天线旁瓣进入射电望远镜接收系统，降低系统信噪比；有必要对观测终端及网络设备进行屏蔽和滤波处理，以改善电磁环境，提高系统的信噪比。

[1] 国防科学技术工业委员会.中华人民共和国国家军用标准GJB72－85:电磁干扰和电磁兼容性名词术语[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

刘 奇，男，工程师.研究方向:射频干扰测试、缓解技术、微波技术的研究.Email:liuqi＠xao.ac.cn