劉 奇，王 凱，王 洋，劉 烽

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

射電天文終端電子設備輻射特性測試

劉 奇1，2，王 凱1，2，王 洋1，2，劉 烽1，2

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院射電天文重點實驗室，江蘇 南京 210008)

針對新疆烏魯木齊市南山25 m射電望遠鏡終端電磁屏蔽改造，以及新疆擬建的110 m射電望遠鏡電磁兼容性設計等需求，開發(fā)了電子設備輻射特性測試系統(tǒng)，基于標準噪聲源Agilent346C，運用Y因子法對系統(tǒng)進行校準。通過關閉其它電子設備，分別打開和關閉測試設備獲得環(huán)境電平頻譜和設備輻射頻譜；對測試數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)處理、成圖與分析；給出了25 m射電望遠鏡典型終端電子設備的輻射頻譜。針對終端電子設備輻射特性測試與分析，對系統(tǒng)電磁屏蔽改造提供重要依據(jù)。

電子設備；測試系統(tǒng)；輻射頻譜

CN53－1189/P ISSN1672－7673

我國國家軍用標準GJB72－85[1]規(guī)定，電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中按設計要求正常工作的能力；它反映的是設備或系統(tǒng)承受電磁騷擾時能正常工作，同時又不產生超過規(guī)定限值的電磁騷擾。它是設備或系統(tǒng)的重要性能指標，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、高速數(shù)字處理技術的發(fā)展和應用，數(shù)字接收機、數(shù)字終端、商用設備、電氣設備和各種線纜的引入使系統(tǒng)電磁環(huán)境變得尤為復雜。射電望遠鏡通過天線、饋源、接收機、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)，易受到外界電子設備輻射信號的影響；另外，射電望遠鏡系統(tǒng)內共存有天線驅動系統(tǒng)、饋源倉、終端數(shù)據(jù)實驗室、監(jiān)控系統(tǒng)及其他電氣設備等，這些設備的電磁輻射通過天線旁瓣進入接收系統(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。

天文學家逐漸發(fā)現(xiàn)這樣一種事實:射頻干擾的強度和頻譜密度使觀測結果深受射頻干擾的影響以致失去使用價值。利用單天線射電望遠鏡進行的觀測(連續(xù)譜或光譜)最易受到干擾的影響，原因是積分時間的增加提高了望遠鏡對天文信號的靈敏度，但也同等程度地提高了其對射頻干擾信號的靈敏度。射頻干擾不僅會影響某些觀測或特定觀測類型的質量，而且還會限制射電天文臺的總體效率，加大了觀測時間、處理數(shù)據(jù)的復雜性。

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

1 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由對稱周期天線、前置放大器、噪聲源、頻譜儀和計算機組成，測試原理如圖1，定向天線接收的射頻信號通過前置放大器放大后進入頻譜儀，通過計算機控制頻譜儀，實現(xiàn)頻譜儀自動控制和測試數(shù)據(jù)自動存儲；采用標準噪聲源Agilent 346C[3]對測試系統(tǒng)進行校準，獲得測試系統(tǒng)噪聲溫度和系統(tǒng)增益；通過數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效校準與成圖。

測試系統(tǒng)實物如圖2，圖2(a)為系統(tǒng)校準實物圖，圖2(b)為系統(tǒng)測試實物圖。測試系統(tǒng)設備參數(shù)見表1。

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

1.1 系統(tǒng)校準原理

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

Y因子定義為開與關噪聲源時器件的輸出功率比:

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

表1 測試系統(tǒng)設備參數(shù)及技術指標[4]Table 1 The parameters and technical indices of the devices of the measurement system[4]

圖2 測試系統(tǒng)實物圖.(a)系統(tǒng)校準；(b)系統(tǒng)測試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

圖4為系統(tǒng)校準的實物圖，頻譜儀直流28 V為噪聲源供電，噪聲源連接低噪聲放大器，低噪聲放大器通過射頻線纜接入頻譜儀。通過計算機控制實現(xiàn)系統(tǒng)校準自動測試與數(shù)據(jù)自動存儲，系統(tǒng)校準數(shù)據(jù)見表2，頻譜儀設置如下:

分辨率帶寬:3 MHz

視頻濾波器帶寬:10 MHz

掃描時間:200 ms 測試帶寬:0

頻譜儀前置放大器:關閉

檢波方式:RMS 測試溫度:19°

圖4 系統(tǒng)校準測試圖Fig.4 A picture showing the system being calibrated

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

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

圖5 系統(tǒng)校準數(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)測試

2.1 測試方法與數(shù)據(jù)處理

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

由于終端實驗室設備眾多，電磁環(huán)境復雜，且沒有設備輻射特性測試的電波暗室。故測試方法為關閉所有終端實驗室電子設備，通過打開和關閉需要測試的電子設備，獲得設備兩種狀態(tài)的頻譜。

通過系統(tǒng)校準獲得系統(tǒng)噪聲溫度和系統(tǒng)增益，數(shù)據(jù)處理后獲得電子設備輻射到測試天線位置處的實際功率:

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 測試結果

測試結果橫坐標為頻率；縱坐標為幅度。通過實際的測試及數(shù)據(jù)處理，獲得距離電子設備1 m處的輻射功率，測試結果對于分析設備輻射特性已經(jīng)滿足，并沒有采用縱坐標為頻率、橫坐標為譜流量密度的成圖方法。

測試結果為數(shù)據(jù)點合成圖，測試數(shù)據(jù)為每個分辨率帶寬采集1個數(shù)據(jù)點，將380～2 980 MHz分為380～1 060 MHz、1 060～2 020 MHz和2 020～2 980 MHz 3個頻段。每個測試設備的測試結果分為3個頻譜圖，從而覆蓋整個測試帶寬，分別獲得設備打開狀態(tài)和關閉狀態(tài)的頻譜。

數(shù)字消色散系統(tǒng)為脈沖星和分子譜線觀測終端，主要進行數(shù)據(jù)采集和濾波處理。圖7為數(shù)字消色散系統(tǒng)的測試頻譜圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)開機時大幅提高環(huán)境噪聲，對于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)絡服務器電磁輻射頻譜，從圖中可以看出，網(wǎng)絡服務器開機時大幅提高環(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，輻射信號包含較強的窄帶干擾，信號幅度最高達－72 dBm，隨著頻率的升高信號幅度明顯下降。

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)絡服務器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

開發(fā)了終端電子設備輻射特性測試系統(tǒng)，針對南山25 m射電望遠鏡終端電子設備進行輻射特性測試，對測試數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)處理、成圖與分析；射電天文用觀測終端和計算機網(wǎng)絡服務器輻射可大幅提高環(huán)境電平，干擾信號通過天線旁瓣進入射電望遠鏡接收系統(tǒng)，降低系統(tǒng)信噪比；有必要對觀測終端及網(wǎng)絡設備進行屏蔽和濾波處理，以改善電磁環(huán)境，提高系統(tǒng)的信噪比。

[1] 國防科學技術工業(yè)委員會.中華人民共和國國家軍用標準GJB72－85:電磁干擾和電磁兼容性名詞術語[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:射頻干擾測試、緩解技術、微波技術的研究.Email:liuqi＠xao.ac.cn