K波段常温接收机噪声注入定标方法分析研究*

王 凯，闫 浩，段雪峰，马 军，陈卯蒸，王 洋，曹 亮，陈晨雨，李 鹏

(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；3.新疆微波技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011)

射电天文学是利用射电望远镜接收来自射电源的微波信号的观测学科[1]。微波接收机是射电天文重要的观测终端设备[2]。经射电望远镜接收的射电信号，首先被反射汇聚至接收机系统馈源的相位中心处[3]，后经低噪声放大器进行放大，并由滤波器滤出需要的工作频段，再与本振信号在混频器进行混频等相关处理后，最终将中频信号传输至数字终端存储[4-5]，供天文学家进行相关处理。接收机系统的基本组成如图1。

图1 接收机系统

接收机定标是通过建立一个温度标尺，将其对射电源的强度响应等效转换为一个温度值，再结合天线相关参数最终转换为天文意义上的流量密度[6-7]。一般是用冷热负载法得到一个接收机强度及温度响应比率g：

(1)

其中，Tamb为常温黑体负载温度；Tcold为低温黑体负载温度；Pamb为常温黑体负载输出功率；Pcold为低温黑体负载输出功率。

结合强度及温度响应比率g，再控制天线对射电源做指向(ON)或者偏开(OFF)操作，得到射电源等效的温度值TA：

(2)

其中，PON为指向射电源输出功率；POFF为偏开射电源输出功率。最终，结合天线口径Ap及效率ηA，可以得到射电源的流量密度：

(3)

其中，k为玻尔兹曼常数。

接收机作为射电望远镜系统最核心的信号接收设备，灵敏度是重要的指标。通常使用噪声温度表征接收机系统的灵敏度，更高的灵敏度意味着接收机可以探测更为微弱的射电信号。一般将接收机自身产生的热噪声称之为接收机的噪声温度，也是接收机自身的强度响应经校准后的等效温度。

1 接收机定标方法

1.1 冷热负载法

冷热负载法被认为是接收机定标中最经典的方法。根据普朗克黑体辐射原理，任何物体在不同温度下对外都有一定的热辐射，而且辐射强度和物体温度在一定范围内呈近似线性关系[8]，冷热负载法正是基于这个原理。在进行接收机噪声温度测试时，使用两个不同物理温度、宽带的黑体辐射源(如80 K液氮中的低温黑体负载和处于室温中300 K的常温黑体负载)，将它们分别放置在接收机馈源口面(第1级放大器或者混频器的前级)，这样不但可以使黑体负载吸收馈源外侧的微波辐射，还可以使不同温度黑体负载的辐射注入接收机内部，以此对接收机进行噪声校准。冷热负载法测试如图2。

图2 冷热负载法测试

将(1)式扩展：

(4)

其中，Trec为接收机噪声温度。执行接收机噪声校准之后，再利用射电望远镜对射电源进行观测，可以得到射电源的等效温度，再结合天线效率及孔径可以得到射电源的流量密度。

虽然冷热负载法是公认最好的接收机定标方式，但也有一定的局限性。主要由于接收机系统一般安装在射电望远镜的接收机房内，在观测时，接收机随着射电望远镜在方位及俯仰方向转动，因而无法在天线转动过程中采用冷热负载对接收机进行校准，尤其是无法提供冷负载进行校准，因此也无法得到响应比率。

1.2 噪声注入法

鉴于上述天线观测过程中无法随时进行冷热负载法校准，因此提出了从接收机端注入标准噪声的方法。该方法是在接收机信号链路中注入一个标准的噪声信号(一个脉冲的噪声二极管，也叫噪声源)，观测前，先利用冷热负载法对标准噪声源进行校准，得到标准噪声源等效温度后，在观测中使用这个定标后的标准噪声源对射电源进行二次校准。由于标准噪声源方便在观测过程中随时开启或关闭，所以该方法广泛应用于厘米波段接收机定标。

接收机标准噪声源的计算公式：

(5)

其中，Pcal_ON为黑体负载下开启噪声源的输出功率；Pcal_OFF为黑体负载下关闭噪声源的输出功率。

接收机噪声校准后，对射电源进行观测，可以得到射电源的等效温度：

(6)

噪声注入定标方法一般分为自由空间噪声注入和波导噪声注入两种。图3为自由空间噪声注入方法示意图，标准噪声源放置在天线副反射面位置，正对接收机波束方向，定标后的噪声信号经过自由空间注入接收机馈源内部进行校准。

图3 自由空间噪声注入模式

由于自由空间噪声源容易受到外界环境温度变化以及空间信号衰减等因素影响，在厘米波段接收机定标中，更多使用波导噪声注入方式。将标准噪声信号在接收机馈源的后级经定向耦合器注入接收机内部，以此建立温度标尺的校准方法。图4为波导噪声注入方法示意图。

图4 波导噪声注入模式

噪声注入法解决了冷热负载法不能实时校准的问题，但在接收机系统中引入额外的器件，例如定向耦合器(专门用于注入标准噪声)，会对整个系统引入额外的噪声。另外，对于常温接收机，同一温度下定标得出的Tcal值，也会在二次校准时由于温度变化带来一定的误差。

2 系统组建、测试及分析

为了开展厘米波段接收机强度校准相关研究，搭建一个具备噪声注入功能的K波段常温接收机及测试平台，以开展接收机噪声注入定标方法的分析研究。

2.1 K波段接收机

搭建的K波段常温接收机主要由馈源网络、噪声源、低噪声放大器、滤波器、混频器、介质本振、中频放大器等组成，如图5。该接收机射频工作带宽与南山26 m天线[9]K波段制冷接收机工作频段相同(22～24.2 GHz，且带内包含南山站水汽辐射计23.8 GHz测试频点)，采取超外差设计，射频信号经放大、滤波、混频后，最终输出为3.95～6.15 GHz的中频信号。为了降低成本，测试系统仅对接收机极化器[10]输出的左旋信号进行处理并开展相关的功率采集，右旋信号直接在波导同轴转换器后连接匹配负载。本文的测试数据均来自左旋信号。

图5 K波段接收机结构示意图

K波段常温接收机馈源网络中的定向耦合器是专门用于注入标准噪声信号的微波器件，标准噪声源选用NOISEWAVE NW18G-15-CS，如图6。

图6 定向耦合器及噪声源

K波段接收机实物如图7，将接收机左旋链路中的低噪声放大器及其后级的微波器件安装于一块铝板上，除了有助于整体固定在馈源网络后侧外，也便于各个有源器件散热。

图7 K波段接收机

2.2 噪声注入法测试

首先，根据噪声级联计算方式，在温度为22 ℃时，K波段接收机的噪声温度理论计算结果为406.5 K(有效噪声温度的总和)，见表1。

表1 K波段接收机噪声温度理论计算

在室温环境下，利用冷热负载法开展5组测试，标定K波段常温接收机的噪声温度及标准噪声源温度。5组噪声注入法测试数据和计算结果，以及与理论计算噪声温度(20 ℃下理论计算接收机噪声温度为403.7 K)的比对结果见表2。其中，Pamb_cal_ON为当常温黑体负载覆盖在接收机馈源口面、开启噪声源时接收机对应的功率输出；Erec为冷热负载法测试的Trec与K波段接收机在对应环境温度下噪声温度理论计算值的相对误差。

表2 室内测试数据及比对结果

之后在室外环境下，利用冷热负载法同样开展了5组测试，标定K波段常温接收机的噪声温度及标准噪声源的温度。5组噪声注入法测试数据和计算结果，以及与理论计算噪声温度(-7 ℃下理论计算接收机噪声温度为366.5 K)的比对结果见表3。

表3 室外测试数据及比对结果

2.3 测试数据分析

首先利用表2的5组室内冷热负载法的测试数据对该方法测试接收机的噪声温度的精度进行了评估[7]，5组测量精度分别为4.71%、5.06%、5.06%、5.01%和5.07%。之后，通过冷热负载法测试的接收机噪声温度与理论计算值进行对比，室内测试误差在1.2%～5.1%之间，室外测试误差在0.5%～1.6%之间，从而验证了该经典定标方法完全满足噪声温度测试需求。

已知标准噪声源温度，根据Tcal求解接收机的噪声温度：

(7)

从(7)式可以看到，除Tcal以外，还需要结合常温(或者低温)黑体的温度及对应的功率输出。

利用表3中常温黑体定标时的测试数据，使用室内环境下标定的标准噪声源温度(取自表2中Tcal的平均值162.6 K)，二次标定室外环境的接收机噪声温度，得到室外低温环境下标准噪声源温度及接收机噪声温度的测试差如表4。

表4 室外噪声注入方法测试数据及比对结果

3 总 结

本文通过组建K波段常温接收机及其校准平台，开展接收机噪声注入定标方法分析研究。首先在室内环境下，使用传统冷热负载法测试接收机噪声温度，并标定K波段接收机标准噪声源温度；然后将K波段接收机放置于室外环境下，待接收机物理温度与环境温度相当时，再使用传统定标方法获取接收机噪声温度及噪声源温度；之后利用室内环境标定的噪声源温度，结合常温黑体下切换噪声源通断，可以得到室外环境下使用噪声注入定标方法测试的接收机噪声温度。测试结果表明，在环境温度变化近27 K时，标准噪声源温度差异约为41%，经二次标定的接收机噪声温度差异约为50.5%。由此得知，常温接收机采取噪声注入定标方法需在环境温度相对稳定的前提下进行，例如采取类似制冷接收机低温杜瓦的方式，对接收机尤其是低噪声放大器及其前级器件进行恒温处理。当环境温度变化范围较大时，最好采取实时校准的方式以减小误差。未来拟开展不同环境温度下噪声注入方式的误差分析，以此对注入的标准噪声源温度进行补偿，使之对二次标定的接收机噪声温度或者射电源等效温度的误差在可以接受的范围。