13.7m毫米波射电望远镜
接收机系统主要技术参数测试报告
常规运行组
左营喜
2004年9月12日
目 录
前言…………………………………………………………………
1. 测试仪器…………………………………………………………
2. SIS超导接收机 ……………………………………………
2.1 SIS超导混频器的性能 …………………………………
2.2 SIS混频器各频点稳定性测试 ………………………
2. 3 HEMT放大器 ……………………………………………
3. 本振锁相系统 …………………………………………………
4. 中频系统 ………………………………………………………
4.1 前中放线性测试…………………………………………
4.2 主中放线性测试 …………………………………………
4.3 中频系统稳定性测试 ……………………………………
5. 连续谱后端设备 ………………………………………………
5.1 连续线后端的线性测试 …………………………………
5. 2 连续线后端积分时间常数 ……………………………
6 . AOS系统 ………………………………………………………
6. 1 AOS中心频率与频率间隔的测试………………………
6.2 AOS频率分辨率 …………………………………………
6.3 AOS频率覆盖范围和频率响应 ………………………
7. 接收机系统总体测试 …………………………………………
7. 1 接收机噪声温度（TRX）测试 ……………………………
7. 2 接收机系统噪声温度TSYS测试 ……………………………
7.3 接收机系统稳定性测试 …………………………………
8. 接收机系统性能评估 …………………………………………
前言
为了在下一观测季节使望远镜能够更好、更有效的投入观测，本年度夏季望远镜保养、维护期间，我们对接收机系统的一些主要设备进行检修、更换和更新，其中主要对连续谱后端和SIS超导混频器进行了更新，使SIS混频器能全频段正常工作；通过准光学的准直测量确定其电轴，解决了微波小车与付镜安装位置的定位等问题；并对各个分系统的性能及参数进行了相应的测试，详见各测试报告。近期我们对望远镜接收机系统的整体性能进行测试。
一.测试仪器
1.HP 8592B Spectrum Analyzer
2.Giga-tronics 6062A Synthesized RF Signal Generator 100KHz—2100MHz
3.GT-2014 RF Plug-in 0.01—2.0GHz Signal Source
4.3066 Pen Recorder
5.HP 34401A Multmeter
6.Fluke 8840A Multmeter
7.Agilent 54622D Mixed Signal Oscilloscope
8.HP 5351B Microwave Frequency Counter
9.HP 438A Power Meter
二.超导接收机
目前安装在望远镜上的SIS超导接收机中的SIS混频器和HEMT放大器已被更换；压缩机的静态压力已由1.5Mpa充至1.635Mpa（环境温度25℃），动态压力为2.25—2.35Mpa（环境温度15--24℃），同时更换了压缩机内的吸附器及致冷机，压缩机工作电压、电流见表1；，常温时（293K）杜瓦内的真空度可达8×10-4mbar,低温时（5.07—5.21K）真空度可达2×10-5mbar；杜瓦内制冷温度（冷头）在3.97—4.38K范围变化（24小时监测并与压缩机工作时的环境温度有关）。
表1：
|
相序 |
AC Vin(V) |
AC Vout(V) |
I(A) |
|
ab |
379.7 |
210.4 |
21-22 |
|
bc |
379.9 |
210.8 |
21-23 |
|
ca |
380.1 |
211.2 |
20.5-22.5 |
以上指标均能满足工作要求。
1.超导混频器性能
※ 用示波器测试SIS混频器常温电阻Rn=27Ω（混频器并联了一个36Ω的电阻）；
※ 制冷温度3.89—4.38K时，测试SIS混频器直流特性：
能隙电压Vgap=2.628mV、漏电流 ID=40µA、结电阻Rj=13.3Ω；
※ SIS混频器偏置电压 V=5.7mV 、 电流 I=0.75mA
SIS混频器在不同频点的I-V特性，见图1—7；
图1. 不加本振时混频器的I-V特性曲线
图2. 112GHz加本振时混频器的I-V特性曲线
图3. 110GHz加本振时混频器的I-V特性曲线
图4. 108GHz 加本振时混频器的I-V特性曲线
图5. 100GHz加本振时混频器的I-V特性曲线
图6. 90GHz 加本振时混频器的I-V特性曲线
图7. 88GHz 加本振时混频器的I-V特性曲线
上述测试曲线是选择具有代表性的几个频率点，有关SIS混频器在不同频点的I-V特性详细测试结果，请查阅“并联36欧姆电阻的SIS混频器性能测试”。
● 结论
从测试结果看，SIS混频器在86--115GHz频段，工作点能稳定偏置，输出功率稳定，SIS混频器能正常工作（86—100GHz时偏置点工作于第二个台阶，101—115GHz时偏置点工作于第一个台阶）。
2.SIS混频器各频率点稳定性测试
a.测试框图
b.测试方法
透镜前加黑体，用连续谱后端和锁定放大器同时记录不同本振频率下的稳定性(SIS混频器工作点调至最佳，使用总功率通路)，每个频点数据采集时间为15分钟。
c.测试结果
图8-13为SIS混频器在不同频率点的短期相对稳定性测试
图8. 112GHz
图9. 110GHz
图10. 108GHz
图11. 100GHz
图12. 90GHz
图13. 88GHz
表2
|
日期 |
本振频率（GHz） |
相对稳定性
SD（%） |
峰值稳定性
P-P（%） |
|
2004/07/19 |
88 |
0.06 |
0.18 |
|
90 |
0.06 |
0.2 |
|
92 |
0.052 |
0.18 |
|
94 |
0.25 |
0.65 |
|
96 |
0.05 |
0.17 |
|
98 |
0.077 |
0.21 |
|
100 |
0.12 |
0.31 |
|
102 |
0.14 |
0.32 |
|
104 |
0.08 |
0.2 |
|
106 |
0.08 |
0.2 |
|
108 |
0.26 |
0.61 |
|
110 |
0.25 |
0.57 |
|
112 |
0.14 |
0.32 |
图14 . SIS混频器工作在不同频点的峰值稳定性
图15 . SIS混频器工作在不同频点的相对稳定性
图16. 历年SIS混频器工作在不同频点的相对稳定性比较
● 结论
从上述测试结果可知，SIS混频器工作在86—115GHz时(86—100GHz工作在第二台阶)，输出功率稳定，接收机系统相对稳定性都小于千分之3的量级，与去年的SIS混频器相比，在低段的稳定性有非常大的改善。
HEMT放大器
※ HEMT偏置电源供电电压：±15V；
※ HEMT放大器工作温度15.8K，杜瓦制冷温度（冷头）3.89—4.38K；
HEMT放大器工作状态
|
第一级 |
第二级 |
第三级 |
|
VD1=2.519V |
VD2=2.521V |
VD3=2.516V |
|
VG1=-0.385V |
VG2=-0.35V |
VG3=-0.37V |
|
ID1=5.98mA |
ID2=6.98 mA |
ID3=6.99mA |
● 结论
HEMT放大器工作正常
三.本振锁相系统
1.本振锁相系统工作频段：85—115GHz，电调电压为7.46—9.4V，各频点的电调范围有所不同；在仪器维护季节，我们测试了各频点的推频特性，以112GHz为例，电调范围为448MHz/V，推频特性见图17。从图中可知，在电调范围内，电压的变化与频率呈线性关系。
图17. fOSC=112GHz的推频特性
2.振荡器的相对输出功率
图18. 振荡器不同频率点输出功率的比较
从测试结果看振荡器的输出功率明显变小。
3.振荡器恒温温度为36.7℃，VGunn=9V,各频点都能入锁且稳定。
4.锁定后的中频频谱（见图19）
图19. 锁相中频频谱fLO=112GHz
● 结论
本振锁相系统工作正常，锁定谱质量好，可靠。
三.中频系统
1. 中频系统前中放线性测试
注：L为各点电压值相对于最大值的衰减量
从图中可以看出，可变衰减器衰减20dB时，前中放饱和，图中红点为1dB压缩点。对应的输入功率为-45.18dBm。根据透镜前加黑体来计算前中放输入端的功率为-60dBm（理论值），因此透镜前加黑体时，前中放不饱和。
2.主中放线性测试
a.测试框图
b. 总功率通路线性测试
图26. 总功率通路的线性测试和拟合
注：L为各点电压值相对于最大值的衰减量
从图中可以看出，可变衰减器衰减9dB时，总功率路饱和，图中红点为1dB压缩点。对应的输入功率为-34.18dBm。根据透镜前加黑体来计算总功率路输入端的功率为-46dBm（理论值），因此透镜前加黑体时，总功率通路不饱和。
c. IF1（13CO）通路线性测试
图27. IF1通路的线性测试和拟合
注：L为各点电压值相对于最大值衰减量
从图中可以看出，可变衰减器衰减17dB时，该通路饱和。对应的输入功率为-6.68dBm。根据透镜前加黑体来计算IF1可变衰减器输入端的功率为-10dBm，因此透镜前加黑体时，IF1通路不饱和
d. IF2（18CO）通路线性测试
图28. IF2通路的线性测试和拟合
注：L为各点电压值相对于最大值的衰减量
从图中可以看出，可变衰减器衰减19dB时，该通路饱和。对应的输入功率为-8.68dBm。根据透镜前加黑体来计算IF2可变衰减器输入端的功率为-11dBm，因此透镜前加黑体时，IF2通路不饱和。
e. IF4（12CO）通路线性测试
图29. IF4通路的线性测试和拟合
注：L为各点电压值相对于最大值的衰减量
从图中可以看出，可变衰减器衰减14dB时，该通路饱和。对应的输入功率为-15.68dBm。根据透镜前加黑体来计算IF4可变衰减器输入端的功率为-22.5dBm。因此透镜前加黑体时，IF4通路不饱和。
说明：
1》由于没有功率计，理论计算值和测试归算值与实际测试值有一定差异。考虑到留有一定的余量，每路均衰减5dB以上为不饱和。实际应用中，为了使AOS各路不饱和，一般各路的衰减都设置在十几dB。
2》等功率计到基地后，应重新对其线性进行测试。
f. 太阳饱和点的测试
1》根据太阳温度和天线效率归算前中放输入端的功率为：
太阳的辐射功率为：
前中放输入端的功率为：
注：L—资料给定的SIS混频器插损
G—为HEMT放大器的增益
为天线口面效率按照50%计算
根据实测的结果，前中放输入端的最大输入电平为-45dBm。因此，当天线对着太阳时，中频系统前中放接近饱和。
2》太阳饱和点测试结果
天线跟着太阳，将可变衰减器接入HEMT输出和前中放输入之间，测试其线性。
图30. 总功率通路的线性测试和拟合
说明：从上图看，太阳进入接收机系统不饱和，这与衰减器的插损有关。
结论：本次饱和点的测试结果与去年相近。
|
测试时间 |
|
IF1
(75MHz) |
IF2
（ 75MHz） |
IF3
（160MHz） |
IF4
（225MHz） |
|
2002/1226 |
中频系统输出饱和电平 |
15.08dBm |
12.5dBm |
12.94dBm |
12.5dBm |
|
2004.9.10 |
中频系统输出饱和电平 |
13.32 dBm |
11.32dBm |
|
6.32dBm |
|
总功率路在前端窗口放置常温黑时输出电平：-16.5dBmw(flo=112GHz). |
说明：由于我们的功率计无法进行测量，因此采取这样的测试方法；通过测试数据确定饱和点及相对应可变衰减器的衰减量，并找出该衰减量下所对应的中频系统输出功率表头指示，该指示就是饱和点，小于饱和点的区域为线性区。
四.连续谱后端设备
1.连续谱后端与锁定放大器的线性测试
测试框图
※ 测试数据
图31. 锁定放大器的线性测试
图32. 直流放大器的线性测试
● 结论
在目前总功率最大输出功率为-16.5dBm情况下，即使表头满量程连续谱后端都能在线性区域工作。
2.连续谱后端的积分时间常数(直流放大器+缓冲器)
经计算τ=156ms
五.AOS系统
1. AOS中心频率与频率间隔的测试
2004年9月8日09：55，用Giga-tronics6062A的频率综合器，分别给AOS三路输入不同的频率，利用计算机进行数据采集，对采集到的数据进行高斯拟合，得到不同频率所对应的通道，进行二次方拟合，得到511.5通道所对应的中心频率及频率间隔.
※ 测试方框图：
扩束系统 付氏透镜
可变衰减器
测试环境温度：T温度=22℃
※ 测试数据与结果
图33. AOSⅠ
图34. AOSⅡ
图35. AOSⅢ
※ 历史记录
2003年8月份以来三路AOS中心频率与频率间隔结果：
|
序号 |
日期
(2003) |
时间 |
AOSⅠ |
AOSⅡ |
AOSⅢ |
|
中心频率(MHz) |
频率间隔(MHz) |
中心频率
(MHz) |
频率间隔(MHz) |
中心频率(MHz) |
频率间隔(MHz) |
|
1 |
08.28 |
10:05 |
69.87964 |
0.04248 |
70.10692 |
0.04273 |
225.17213 |
0.14206 |
|
2 |
09.11 |
9:10 |
69.840496 |
0.04246 |
70.091699 |
0.04272 |
225.26669 |
0.14220 |
|
3 |
10.29 |
13:15 |
69.87389 |
0.0424 |
69.92550 |
0.04273 |
225.83437 |
0.14231 |
* 2003年10月对接收机AOSⅢ系统进行了调试，解决光路、电路等引起信号路信噪比大等问题。
2004年1月份以来三路AOS中心频率与频率间隔结果:
|
序号 |
日期
(2004) |
时间 |
AOSⅠ |
AOSⅡ |
AOSⅢ |
|
中心频率(MHz) |
频率间隔(MHz) |
中心频率
(MHz) |
频率间隔(MHz) |
中心频率(MHz) |
频率间隔(MHz) |
|
1 |
01.30 |
13:30 |
69.71916 |
0.04232 |
69.82979 |
0.0427 |
225.83316 |
0.14235 |
|
2 |
04.30 |
15:53 |
69.86054 |
0.04241 |
69.89384 |
0.0427 |
225.42230 |
0.14211 |
|
3 |
05.04 |
11:50 |
69.85077 |
0.04240 |
69.88805 |
0.0427 |
225.51061 |
0.14219 |
|
4 |
09.08 |
09:55 |
69.90053 |
0.04240 |
69.90512 |
0.0427 |
225.33887 |
0.14212 |
2. AOS频率分辨率
※ 测试框图
※ 测试结果
|
<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->
<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]--> |
频率分辨率 |
对应速度分辨率（平均值） |
|
低端 |
中段 |
高端 |
|
AOS-1（13CO ）
（110.2013529GHz） |
76KHz |
81KHz |
96KHz |
0.23km/s |
|
AOS-2（C18O）
(109.7821819GHz) |
72KHz |
75KHz |
77KHz |
0.20km/s |
|
AOS-3（12CO）
(115.2712039GHz) |
198KHz |
196KHz |
196KHz |
0.51km/s |
2.AOS频率覆盖范围和频率响应
※ 测试框图
※ 测试结果
|
频率覆盖 范围 |
对应速度覆盖范围 |
|
象元的频率间隔 |
|
AOS-1（13CO）
（110.2013529GHz） |
42.85MHz |
116.7km/s |
41.85KHz |
|
AOS-2（C18O）
(109.7821819GHz) |
43.09MHz |
117.8km/s |
42.08KHz |
|
AOS-3（12CO ）
(115.2712039GHz) |
138.15MHz |
359.5km/s |
|
134.91KHz |
六.接收机系统总体测试
1. 接收机噪声温度（TRX）测试
测试方法
透镜前分别置常温、低温黑体，由连续谱后端记录不同本振频率下的数据，计算出Y因子和噪声温度。
测试数据
图36. 接收机噪声温度
2.接收机系统噪声温度TSYS测试
测试方法
天线俯仰置于（EL=70°），分别取常温黑体的温度和EL=70°时的温度，从连续谱后端读取经检波后的电压数据，求出Y因子，计算出接收机系统噪声温度Tsys。
测试数据
图37. 接收机系统噪声温度测试
3.接收机系统稳定性测试
测试框图
测试数据处理结果
2004年9月17日21:40 — 06:00，少云，测试了8.3小时、本振频率为100.4164GHz的接收机IF2路输出稳定性。（天线俯仰为70度，平台温度17.0—11.0℃，致冷温度：3.93—4.08K。）
1.原始数据
图38. 环境温度、IF2路输出值随时间的变化，设置每秒采一个数据，共采集了31433个数据（历时8.3小时的数据情况）
2. 处理后的数据
图239. 环境温度、IF2路输出值在一小时内的平均值随时间的变化
图40 环境温度、IF2路输出值在一小时内R.M.S值随时间的变化
图41. IF2路输出值在一小时内R.M.S.的分布
图42. 环境温度在一小时内R.M.S.的分布
图43. 单位时间（1小时）内UTP IF2和T0的漂移量
图44. ρ表示dT/hr和UIF2/hr的相关系数
3.测试结果
8.3小时接收机IF2路输出的总漂移量为0.949mV，相对总漂移量为10.66%，平均每小时相对漂移1.28%；期间环境温度变化了6.4度。
IF2输出值的平均一小时内的RMS为0.0394mV，相对变化量为4.4‰；IF2输出值的平均5分钟的RMS为0.00864mV，相对变化量为0.97‰。
4. 接收机稳定性测试结果历史纪录
|
日期 |
测试路 |
平均功率P（mV） |
平均一小时内的rms情况 |
平均每小时的漂移 |
环境温度漂移 |
|
rms变化量（mV） |
相对变化量 |
ΔP（mV） |
相对值 |
ΔT(K) |
相对值 |
|
2003年 |
|
2.12 |
IF1 |
602.56 |
4.437 |
7.27‰ |
11.8 |
2.0% |
1.8 |
6.9‰ |
|
3.05 |
总功率 |
687.4 |
4.8 |
6.98‰ |
12.4 |
1.8% |
2.6 |
0.96‰ |
|
3.21 |
总功率 |
674.77 |
22.1 |
3.25% |
9.58 |
2.0% |
4.0 |
1.45 |
|
03.24 |
总功率 |
733.28 |
1.25 |
1.7‰ |
1.28 |
1.75% |
2.6 |
9.5‰ |
|
03.30 |
总功率 |
692.23 |
1.733 |
2.5‰ |
13.59 |
1.96% |
4.5 |
1.6% |
|
04.12 |
总功率 |
764.85 |
6.46 |
8.45‰ |
16.1 |
2.1% |
16.4 |
6% |
|
05.06 |
总功率 |
524.63 |
2.96 |
5.64‰ |
7.5 |
1.43% |
4.4 |
1.55% |
|
08.30 |
总功率 |
664 |
8.112 |
1.22‰ |
7.32 |
1.1% |
17 |
5.9% |
|
09.01 |
总功率 |
694.42 |
4.53 |
6.52‰ |
8.4 |
1.21% |
9.9 |
3.48% |
|
09.09
（fLO=109GHz） |
IF1 |
50.07 |
0.788 |
1.57% |
0.66 |
1.31% |
11.3 |
3.96% |
|
09.16（fLO=112.6GHz） |
IF2 |
51.8 |
0.274 |
5.28‰ |
0.3357 |
6.48‰ |
3.1 |
1.08% |
|
09.18（fLO=112.62GHz） |
IF4 |
30.26 |
0.142 |
4.70‰ |
0.417 |
1.38% |
1.8 |
0.64% |
|
11.07（fLO=112.536GHz） |
总功率 |
653.6 |
2.56 |
3.9‰ |
5.23 |
0.8% |
2.7 |
0.94% |
|
2004年 |
|
01/30（fLO=112.622GHz） |
总功率 |
681.3 |
2.01 |
2.95‰ |
3.58 |
5.3‰ |
3.2 |
1.2% |
|
02/01（fLO=112.628GHz） |
IF2 |
74.96 |
0.289 |
3.85‰ |
0.33 |
4.45‰ |
3.0 |
1.15% |
|
01/31（fLO=112.628GHz） |
IF1 |
58.61 |
0.269 |
4.59‰ |
0.278 |
4.75‰ |
4.2 |
1.58% |
|
02/02（fLO=112.628GHz） |
IF4 |
73.46 |
0.39 |
5.31‰ |
0.38 |
5.17‰ |
5 |
1.87% |
|
05/02（fLO=112.696GHz） |
IF4 |
88.87 |
0.229 |
2.58‰ |
0.81 |
9.10‰ |
4.5 |
1.61% |
|
05/02（fLO=112.643GHz） |
总功率 |
569.41 |
4.11 |
7.22‰ |
9.05 |
1.59% |
5.4 |
1.92% |
|
09/10（fLO=112.6219GHz） |
总功率 |
11.2805 |
0.02261 |
2‰ |
0.17187 |
1.52% |
1.1 |
0.39% |
|
09/11（fLO=112.6219GHz） |
IF4 |
10.70985 |
0.02969 |
2.8‰ |
0.17187 |
1% |
2.12 |
0.77% |
|
09/17（fLO=100.4164GHz） |
IF2 |
8.90 |
0.0394 |
4.4‰ |
0.114 |
1.28% |
6.40 |
2.23% |
4.接收机系统性能评估
a)接收机系统正常工作频率范围86—115GHz，该频段内系统噪声温度小于300K；
b)系统一小时内总功率P相对稳定性优于0.45 %，平均每小时漂移优于0.16 %；
