一种适用于SKA低频孔径阵列的接收模块设计

2020-08-21 17:21:37 电脑知识与技术 2020年21期

陶小辉 李庄 荣大伟 姜力晖 曹锐

摘要:本文介绍了一种高集成度SKA低频孔径阵列接收模块设计,从系统射频链路设计角度分析了接收模块指标需求,针对32通道接收模块的测试结果表明,模块增益约18dB,PldB约14dBm,OIP3优于25dB。

关键词:低频孔径阵列,射频链路,接收模块

中图分类号:TP39 文献标识码:A

文章编号:1009-3044(2020)21-0215-02

开放科学(资源服务)标识码(0SID):

1 引言

平方公里阵列SKA(Square Kilometer Array)是国际上即将建造的最大综合孔径射电望远镜,其接收面积可达1平方公里,频率覆盖70MHz-IOGHz(可扩展至25GHz),比目前最大厘米波综合孔径望远镜JVLA(Jansky Very Large Array)灵敏度提高50倍,搜寻速度提高10000倍。SKA拟由包括100万支天线单元的低频孔径阵列(Low Frequency Aperture Array,LFAA)、2500面抛物面天线(Dishes)阵列以及中频孔径阵列(Mid Fre-quency Aperture Array。MFAA)组成,分布在3000公里基线内形成望远镜阵列。

本文针对SKA低频孔径阵列射频链路进行了分析,提出了链路中接收模块设计指标,根据该指标研制了一种高集成度32通道接收模块,并给出了测试结果。

2 接收模块设计分析

射电天文装置中模拟或数字接收机需要靠近天线,将天线接收的电磁信号进行放大、滤波并最终调制为光信号,通过光纤拉远,再经过光电转换、放大、滤波、模数转换,对信号进行相关和波束合成。射频链路包括:低噪放(靠近天线)、前端、接收模块。针对射频链路的系统噪声基底和预期的最大信号功率进行分析,从而确定射频接收链路中接收模块设计指标。

2.1 接收模块增益分析计算

系统工作频率范围为50MHz-350MHz,因此接收链路在350MHz时的噪声系数可必须优于0.6ldB,其对应的接收机噪声温度为44K。在较低频点(如100MHz)噪声系数可能高达1.7dB,对于工作频率范围的低频段甚至更高。假设最糟糕的情况下,接收通道和AD增加的总噪声仍低于LNA噪声的10%,下面评估的射频载光纤(RFoF)链路可以满足更严格的要求。

工作频率范围内(50MHz-350MHz)总(最大)噪声功率计算如下,其中kB为玻尔兹曼常数,1.38x10-23J/k。

由(1)可知,单天线的噪声为-86dBm,總系统噪声可由式(2)计算得到,在工作频率范围内的总等效输入噪声基底(包括输入参考接收机噪声)为-85.4dBm。

天线的输入功率为-85.4dBm,为了在AD输入端口得到一10.5dBm信号,链路总增益为75dB,通过从链路增益中减去LNA的40dB增益,得到接收模块的增益为35dB。

2.2 接收模块噪声系数分析计算

因此,ADC噪声系数要求最高为47dB。如果满足该要求,则在RF链分析的噪声考虑中可以完全忽略ADC噪声。如果无法满足,则必须相应地增加RFoF噪声要求。

3 硬件设计与研制

该接收模块的硬件多为需要重新研发的器件,例如市面上现有的光模块电性能指标可以满足系统需求,但往往功耗较高,需要针对低功耗进行新研;开关滤波器组是将300MHz带通滤波器和开关集成在一起进行选通使用,但是接收模块的尺寸为6U,必须对开关滤波器组进行小型化设计,虽然常规的波导滤波器能够满足带宽要求,但体积太大不适合安装,半集总器件的LC滤波器体积较小,但带宽受限,需要在设计中充分考虑带宽和体积的矛盾。

3.1 开关滤波器

开关滤波器用于ADC采样前的抗混叠滤波,对其带外抑制、带内波动等特性要求很高。开关滤波器的选型主要的决定因素是开关滤波器的体积指标,由于6U板卡需要集成32个工作频率50-350MHz的宽带开关滤波器组,所以小体积是对该器件的基本的要求,经过综合比较,LC滤波器是较为合适的选择。

3.2 射频放大电路设计

由于接收模块输入端口采用射频光信号,其插损约为26dB,为保证接收模块15dB增益,射频放大电路采用三级放大器设计,同时,为了便于调整每个通道的增益,在第二级放大器后安装了15dB数控衰减器。通过配置合适的放大器以及衰减器,可以满足系统需求。

3.3 硬件研制

根据上述设计分析,研制出32通道接收模块,其中射频输入端口采用2个MPO光接口,输出端口采用4个8通道射频连接器输出32路射频信号,如图1所示。

4 测试结果与分析

对研制的32通道接收模块的通道增益、PldB、OIP3进行测试,测试结果满足设计指标要求,如图2所示。

本文介绍了一种适用于SKA低频孔径阵列的高集成度接收模块设计,并研制了原理样机,给出测试结果,其性能指标满足系统指标需求。

参考文献:

[1] Dewdney P D.Delta System CoDR, High level system descrip-tion[EB/O Ll.http://www.skatelescope.org/public, 201 1.

[2]吴曼青,曹锐,陶小辉,等.世界最大综合孔径望远镜SKA低频数字阵列系统研究[J].中国科学:信息科学,2015,45(12):1600-1614.

【通联编辑:李雅琪】

作者简介:陶小辉(1981-),男,高级工程师,博士在读,研究方向:主要从事孔径阵列系统硬件实现。