一種用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器的製作方法
2023-06-09 10:17:31
專利名稱：一種用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於射電天文中的射電輻射接收領域，特別是一種用於低頻調製式輻 射計接收機的三端調製器。
背景技術：
在射電天文總強度輻射計接收設備中，高的增益穩定性是首先和必須的要求，這 是因為天體的射電輻射是一種白噪聲形態的輻射，若其滿足高斯分布則其在本質上和射電 輻射接收系統自身產生的電子噪聲並無不同，因此，若射電輻射接收系統增益不穩定，則在 射電輻射接收系統輸出發生變化時，我們根本無法區分是射電輻射接收系統收到的來自天 體自身射電輻射信號的變化還是射電輻射接收系統本機電子噪聲的變化。所以，一般來說， 要求射電輻射接收系統整機增益穩定性至少達到士1 2%/每小時或更高。為了達到這 一要求，除了採用優質元件、設計潛在不穩定性較低的電路、使用高穩定電源、加強級間去 耦濾波屏蔽外，通常使用的辦法便是採用調製式輻射計接收機。所謂調製接收最通用的是 Dicke式系統，該系統在其輸入端引入了一個三端調製器，三個埠分別接以天線、終端負 載和電子接收前端輸入口，電子接收前端輸入口分別在天線和終端負載兩者間以一定頻率 不斷切換，這一頻率稱為調製頻率通常在10 10000Hz之間，波形通常為對稱方波。這樣， 電子接收前端輸入口便一半時間接收天線信號，另一半時間接收終端負載信號，經相檢後 得到的是天線信號減去終端負載信號。只要系統在一個方波周期(毫秒量級)內保持穩定 即可。Dicke式調製輻射計接收機通過犧牲50%的天線信號和增加一套調製-相檢系統的 代價解決了射電輻射接收系統增益穩定性問題。在增加的一套調製-相檢系統裡最關鍵的 就是一個低插入損耗低噪聲高反向抑制的三埠調製器，因為，插入損耗和調製器自身噪 聲都將增加射電輻射接收系統的噪聲並增加系統的增益不穩定性。在微波和毫米波射電天文輻射接收系統通常採用波導型或同軸型電控鐵氧體環 行器，其插損在0. 1 Idb之間，反向抑制> 20db，由於是鐵氧體器件自身並不產生電子噪 聲，但是到了中波、長波尤其是IOOKHz以下的超長波段，尋找一種低插入損耗低噪聲高反 向抑制的三埠調製器就很困難了。採用電晶體、場效應管制作的調製器自身將引入噪聲， 且插損不易做得很小；採用電磁帶線切換開關則反應速度慢跟不上調製方波速度且有磨 損。所以，能夠良好工作在IOOHz IOMHz的高靈敏度Dicke式調製射電輻射接收系統的 低插入損耗低噪聲高反向抑制的三埠調製器就很難解決了。
發明內容本實用新型針對上述問題提出了一種解決途徑，設計了一種用於低頻調製式輻射 計接收機的三端調製器，該三端調製器基於Dicke式調製輻射計接收系統，其特徵是該系 統在其輸入端設有一個三端調製器，三個埠分別接天線、終端負載和電子接收前端輸入 口，電子接收前端輸入口分別在天線和終端負載兩者之間以調製方波頻率不斷切換；該三 端調製器包括[0005]以緊套在幹簧管上的圓柱形分段電磁線圈和其外設的封閉圓管形磁屏蔽外罩共 同構成同軸線型電磁開關作為基本切換單元，其中，幹簧管內芯視為同軸傳輸線之內芯，夕卜 套的圓柱型分段電磁線圈及圓管形磁屏蔽外罩視為同軸傳輸的外導體，電磁線圈引出線的 一端接+5V電源，另一端接到電磁線圈基本導通控制單元的輸出端；以含偏置電阻及反峰抑制二極體的繼電器電感負載驅動集成電路為電磁線圈基 本導通控制單元，其輸出端接電磁線圈的一端；這樣的同軸線型基本切換單元和電磁線圈 基本導通控制單元共有兩套，兩套單元的控制輸入端接入CMOS六反相器集成電路的兩個 反相輸出端；這兩套單元的控制輸入信號必須相位相反，即一套導通另一套必須關斷，反之 亦然，以保證Dicke式調製射電輻射接收機低噪聲前端按照調製方波頻率不斷地在天線與 終端負載之間切換，使Dicke式調製射電輻射接收機穩定地工作並可以終端負載的溫度為 基準測定天線輸入信號的相對輻射溫度；以可接受Dicke式調製射電輻射接收機低頻系統輸出的單相調製方波信號控制 的CMOS六反相器集成電路作為雙電磁線圈基本導通控制單元的雙相控制電壓產生單元， CMOS六反相器集成電路的某一個反相器的反相輸入端接到Dicke式調製射電輻射接收機 低頻系統調製方波輸出端；採用由中心計算機控制的CMOS鎖相環集成電路的同步方波輸出端作為Dicke式 調製射電輻射接收機低頻系統調製方波輸出端，由CMOS鎖相環集成電路的同步輸入端接 受來自中心計算機輸出的外同步信號控制，以實現同步調製。在Dicke式調製輻射計放大鏈路的前置級和輸出級之間設置了由雙極性CMOS模 擬開關構成的斬波器，並由與驅動方波同步的振鈴去除脈衝控制其通斷，該振鈴去除脈衝 之脈寬及起始延遲均可調，使得只切除被調製後的系統信號方波上升或下降沿出現的振 鈴而不影響正常信號；電磁線圈的通斷電由基本導通控制單元的集成電路控制，其驅動由 Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的調製方波發生器產生的調製方波信號控制，該調 制方波發生器同時產生相位檢波器的相檢方波及斬波去振鈴脈衝，並均接受來自中心計算 機輸出的外同步信號控制，以實現同步工作。上述同軸線型基本切換單元、基本導通控制單元及雙相控制電壓產生單元均分別 置於鍍銀屏蔽合內，以三個SMA鍍金同軸接頭引出且屏蔽合內置電源濾波去耦電路，並經 過穿心電容供電。本實用新型的優點及有益效果1.整個切換開關成了一段阻抗近似50或75 Ω的同軸傳輸線，從而減小其高頻損 耗及駐波反射而可用於從直流到較高的頻率，實測可得100Hz IOMHz下插損 0. ldb，最 短切換時間達2ms。2.為了簡化電路、提高性能，我們採用了 ON半導體器器件公司的微型封裝單路繼 電器電感負載驅動集成電路MDC3105作為切換開關驅動電路。3.電磁驅動的常開型幹簧開關在吸合瞬間因機械彈性易發生觸點來回跳動，這種 現象出現在方波調製時將表現為被調製後的系統信號方波前沿出現振鈴現象，這在Dicke 式調製輻射計中將表現為假信號或多值輸出。因此，我們在使用本發明於Dicke式調製輻 射計中時特別設置了斬波式振鈴去除電路。即在Dicke式調製輻射計放大鏈路的前置級和 輸出級之間設置了由雙極性CMOS模擬開關構成的斬波器，並由與驅動方波同步的振鈴去除脈衝控制其通斷，該振鈴去除脈衝之脈寬及起始延遲均可調，使得只切除被調製後的系 統信號方波上升或下降沿出現的振鈴而不影響正常信號。4.本同軸傳輸線式微型幹簧管三端調製器用於Dicke式調製型低頻射電輻射計 接收機中，其電磁線圈的通斷電由MDC3105集成電路控制，其驅動由Dicke式調製型低頻射 電輻射計接收機的調製方波發生器產生的調製方波信號控制，該調製方波發 生器同時產生 相位檢波器的相檢方波及斬波去振鈴脈衝，並均接受來自中心計算機輸出的外同步信號控 制，以實現同步工作。
圖1是本實用新型之同軸傳輸線式微型幹簧管切換開關的機械結構圖；圖2是本實用新型之調製型低頻射電輻射計接收機的三端調製器結構示意圖；圖3是本實用新型之三端調製器的驅動控制電路圖；圖4是對調製過程中產生的振鈴脈衝以斬波開關去除的方框示意圖；圖5是圖4的具體電路圖；圖6是本實用新型Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的方框原理圖。
具體實施方式
圖1是我們自行設計製造的同軸傳輸線式微型幹簧管切換開關的機械結構圖，其 結構尺寸均經過嚴格設計計算。5為微型幹簧管，採用日本OKI公司園管型0RD-219，其尺 寸Wl為Φ2Χ 12 ;1為微型幹簧管雙端外引線，尺寸W2約為Φ0. 5X 16 ;4為用低介質損耗 塑料棒車制的4糟線圈管，其外徑W3為Φ 12 X 13，其內徑W4為Φ 2. 4X 13 ;7為磁屏蔽外 殼，以電工純鐵棒車製成中空罩杯，其外徑W5為Φ 14X16. 4，其內徑W6為Φ 13X 14，通體 壁厚為0. 5mm ；2為該電工純鐵中空罩杯的端蓋，也以電工純鐵棒車製成，與電工純鐵中空 罩杯內緣為過渡配合；8為電工純鐵屏蔽罩兩端Φ3. 3開孔處填充的中間開有Φ0. 5小孔 的聚乙烯環，其尺寸W7為Φ3.3Χ2，0ΙΦ-219型雙端外引線1即通過該Φ0.5孔穿出；6為 以Φ0. 05高強度漆包線分4段繞制而成的勵磁線圈，其內徑約3. 4mm，外徑約10. 5-llmm ；如果我們將0RD-219微型幹簧管的兩端外引線(Φ0. 5mm)及其玻璃管內的內芯 Φ0. 45mm)視為同軸傳輸線的內導體(在幹簧吸合時)，將套在玻璃管上的電磁線圈
及園管形磁屏蔽外罩共同作為同軸傳輸線的外導體，將套在兩端外引線上的聚乙烯環及內 芯外的空氣、玻璃管壁及線圈管壁作為同軸傳輸線的絕緣介質來設計，以這種帶有臺階的 內外導體及絕緣介質看作為傳輸阻抗略有不連續的同軸電纜，以減少頻率較高時的傳輸損 耗。則聚乙烯的ε =2.3，玻璃管壁的ε = 5 6 (無鹼玻璃)，線圈管壁採用環氧酚醛 玻璃層壓棒車制而成ε =8 10，如聚乙烯環外徑3. 3mm，依同軸線阻抗公式Ztl =In b/ aX60+ ε V2，則此段的阻抗為 75 Ω ；如玻璃管壁厚0. 2mm、線圈管壁厚0. 5mm、玻璃管壁 與線圈管壁間隙0.2mm、如此設計則微型幹簧管段阻抗為 75 Ω ；這樣就構成了一個阻抗 近似75Ω的同軸傳輸線式的切換開關。從而減小其高頻損耗及駐波反射而可用於從直流 到較高的頻率，實測可得0 IOMHz下插損 0. ldb，最短切換時間達2ms。圖2是可用於IOOHz IOMHz的Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的三端調 制器結構示意圖。2和3是兩個我們自行設計製造的同軸傳輸線式微型幹簧管切換開關，用於輪流接通埠 4-6或埠 5-6，通常埠 4接入需要接受調製的射頻信號，埠 5接入 室溫終端負載；1是三端調製器相應的驅動控制電路，用於接收外控制方波信號以輪流驅 動2、3兩個開關導通或切斷；7為三端調製器金屬屏蔽外殼；埠 4、埠 5是射頻信號輸入 SMA接頭；埠 6是方波調製後的射頻信號輸出SMA接頭；8是兩個3300PF穿心電容，用以 濾除射頻幹擾信號。圖3是用於IOOHz IOMHz的Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的三端調製 器的驅動控制電路。它由一片小八腳封裝的CMOS六反相器4069對由Vin輸入端輸入的調 制方波進行整形、緩衝，然後輸出兩路幅度相同相位相反的控制方波，分別去控制兩片(仏、 U2)微型封裝單路繼電器電感負載驅動集成電路MDC3105的導通或關斷，使相應同軸傳輸線 式微型幹簧管切換開關的電磁線圈J1和J2通電或斷電，以使兩個同軸傳輸線式微型幹簧管 切換開關相應閉合或斷開，從而使接頭mi (A)和接頭OUT(B)、接頭IN2(C)和接頭OUT (B) 相應接通或斷開，從而實現了方波調製。+5V電源的去耦傍路電路中採用了分別對應於低、 中、高頻傍路的470μ f貼片鉭電容、4. 7μ f貼片多層獨石陶瓷電容和0. 1 μ f貼片多層高頻 獨石陶瓷電容，以實現完善的電源去耦，這是為了在高增益系統中抑制可能的來自供電系 統的寄生反饋信號。圖4是本調製器用於Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機時，對其調製過程中 產生的振鈴脈衝以斬波開關去除電路的方框示意圖。圖中A點(in)接在前置放大器緩衝 級之後，B點(out)則接在主放大器輸入端之前，用於切除因微型幹簧管在接通前的瞬間簧 片震顫導致的振鈴脈衝波形；而C點則接在調製方波發生器的輸出緩衝級之後，經輸出緩 衝後的調製方波一路送往三端調製器的控制方波輸入端(圖3Vin)，另一路則經過兩路相串 聯的單穩態觸發器構成的延遲電路延時以後作為振鈴脈衝去除電路的控制信號，去控制斬 波模擬開關的關斷或導通，其中DWl約時延100 μ S，DW2約時延300 μ S (假定調製方波頻率 為12. 5Hz)，DW2產生的300 μ S正脈衝就是用於切斷振鈴脈衝。圖5是本調製器用於IOOHz IOMHz Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機時， 對其調製過程中產生的振鈴脈衝以斬波開關去除的具體電路圖。ISL43113是一種小信號、 雙電源供電的可用作正負雙向交流信號切換用的高性能常閉模擬開關，在f= IOMHz時，插 入損耗≤0. 1 0. 3db，關斷比≥55db，關斷響應時間 ≈ 20ns。經前置低噪聲放大器放大 的已調製信號由A(inl)點輸入，經過由寬帶、低噪聲、電壓反饋型運算放大器0PA846構成 的可調零緩衝放大器放大並調整偏置，輸入到ISL43113常閉開關的1腳，以保證ISL43113 工作於直流偏置為零電平的低阻抗狀態。131^43113常閉開關的8腳，經510電阻匹配由 OUT點輸出並接到下級主放大器的輸入端。⑶4098為CMOS可重觸發雙單穩態多諧振蕩器 集成電路，驅動調製器的同一調製方波由B(in2)點輸入，經並以兩個互為反向的二極體的 雙微分電路取出對應於方波前後沿的尖脈衝，分別送到CD4098的兩個單穩態觸發器的4 腳與5腳，在對應於調製方波前後沿的尖脈衝作用下，延遲產生去振鈴斬波控制脈衝，送到 ISL43113常閉模擬開關控制端6腳作為斬波控制電壓，切除調製器在調製過程中產生的振 鈴脈衝，以使Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的相位檢波器正常工作。本部分電源 的供電迴路中設置了完善的多級的複合的電源去耦傍路電路，並在傍路電路中採用了分別 對應於低、中、高頻傍路的470 μ f貼片鉭電容、4. 7 μ f貼片多層獨石陶瓷電容和0. 1 μ f貼 片多層高頻獨石陶瓷電容，這是為了實現完善的電源去耦以在高增益系統中抑制可能的來自供電系統的寄生反饋信號而使Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機能實現高增益穩定性的工作。圖6是本發明用於IOOHz IOMHz的Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機的方
框原理圖。結合圖6和圖5，需要說明的是1、同軸傳輸線式微型幹簧管切換開關乃本發明之關鍵，其直流及超低頻損耗主要 取決於微型幹簧管的接觸電阻((0. 1 Ω)，但其高頻下的損耗主要取決於在其整個長度內 的同軸傳輸線的完整性和電氣阻抗的連續性，因此，低損耗的、介電常數為選定值的電介質 材料的選取、設計及加工以及分段繞制的電磁線圈(》25AT)就成為關鍵。2、為了防止來自電源的雜散信號幹擾和切斷來自空間的電波感應，調製器、振鈴 斬波去除電路和調製方波發生電路均分別裝於三個密閉鍍銀屏蔽合內；三個屏蔽合均分別 內置嚴格的電源濾波去耦電路，並均經過穿心電容供電。3、用於低頻射電輻射計接收機時，調製振鈴斬波去除電路是必要的，但須適當調 整切除段相對於調製方波脈衝的時間比例，當調製方波脈衝重複頻率為12. 5Hz時，切除段 的脈寬及其延遲時間之和應當氺Ims04、我們製成的調製器用於Dicke式調製型低頻射電輻射計接收機可達到下述指 標輻射計靈敏度彡0. 2° K，輻射計增益穩定性氺士0. /每小時(室溫下)。
權利要求一種用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器，基於Dicke式調製輻射計接收系統，其特徵是該系統在其輸入端設有一個三端調製器，三個埠分別接天線、終端負載和電子接收前端輸入口，電子接收前端輸入口分別在天線和終端負載兩者之間以調製方波頻率不斷切換；該三端調製器包括以緊套在幹簧管上的圓柱形分段電磁線圈和其外設的封閉圓管形磁屏蔽外罩共同構成同軸線型電磁開關作為基本切換單元，其中，幹簧管內芯視為同軸傳輸線之內芯，外套的圓柱型分段電磁線圈及圓管形磁屏蔽外罩視為同軸傳輸的外導體，電磁線圈引出線的一端接+5V電源，另一端接到電磁線圈基本導通控制單元的輸出端；以含偏置電阻及反峰抑制二極體的繼電器電感負載驅動集成電路為電磁線圈基本導通控制單元，其輸出端接電磁線圈的一端；這樣的同軸線型基本切換單元和電磁線圈基本導通控制單元共有兩套，兩套單元的控制輸入端接入CMOS六反相器集成電路的兩個反相輸出端；這兩套單元的控制輸入信號必須相位相反，即一套導通另一套必須關斷，反之亦然，以保證Dicke式調製射電輻射接收機低噪聲前端按照調製方波頻率不斷地在天線與終端負載之間切換，使Dicke式調製射電輻射接收機穩定地工作並可以終端負載的溫度為基準測定天線輸入信號的相對輻射溫度；以可接受Dicke式調製射電輻射接收機低頻系統輸出的單相調製方波信號控制的CMOS六反相器集成電路作為雙電磁線圈基本導通控制單元的雙相控制電壓產生單元，CMOS六反相器集成電路的某一個反相器的反相輸入端接到Dicke式調製射電輻射接收機低頻系統調製方波輸出端；採用由中心計算機控制的CMOS鎖相環集成電路的同步方波輸出端作為Dicke式調製射電輻射接收機低頻系統調製方波輸出端，由CMOS鎖相環集成電路的同步輸入端接受來自中心計算機輸出的外同步信號控制，以實現同步調製。
2.根據權利要求1所述的用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器，其特徵是在 Dicke式調製輻射計放大鏈路的前置級和輸出級之間設置了由雙極性CMOS模擬開關構成 的斬波器，並由與驅動方波同步的振鈴去除脈衝控制其通斷，該振鈴去除脈衝之脈寬及起 始延遲均可調，使得只切除被調製後的系統信號方波上升或下降沿出現的振鈴而不影響正 常信號；電磁線圈的通斷電由基本導通控制單元的集成電路控制，其驅動由Dicke式調製 型低頻射電輻射計接收機的調製方波發生器產生的調製方波信號控制，該調製方波發生器 同時產生相位檢波器的相檢方波及斬波去振鈴脈衝，並均接受來自中心計算機輸出的外同 步信號控制，以實現同步工作。
3.根據權利要求1或2所述的用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器，其特徵是 上述同軸線型基本切換單元、基本導通控制單元及雙相控制電壓產生單元均分別置於鍍銀 屏蔽合內，以三個SMA鍍金同軸接頭引出且屏蔽合內置電源濾波去耦電路，並經過穿心電 容供電。專利摘要一種用於低頻調製式輻射計接收機的三端調製器，基於Dicke式調製接收系統，其特徵是該系統在其輸入端設有一個三端調製器，三個埠分別接以天線、終端負載和電子接收前端輸入口，電子接收前端輸入口分別在天線和終端負載兩者間以一定頻率不斷切換，其特徵是該三端調製器採用以含幹簧管、電磁線圈、園管形磁屏蔽外罩構成的快速響應電磁開關為基本切換單元，以含偏置電阻及反峰抑制二極體的繼電器電感負載驅動集成電路為基本導通控制單元；以可接受Dicke式調製射電輻射接收機低頻系統輸出的調製方波信號控制的CMOS電路作為雙相控制電壓產生單元。
文檔編號H04B1/28GK201616822SQ20102010531
公開日2010年10月27日 申請日期2010年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者倪玉安, 柏發鬆, 葛連生, 袁亮, 高宇紅, 黃福泉 申請人:南京紫淮礦用電子高科技有限公司;淮南礦業(集團)有限責任公司;煤礦瓦斯治理國家工程研究中心