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1、射电天文干涉测量用的反馈 跟踪相关接收机之设计 提要 ? 作 为 ? ! 兆赫射电源通 量 密度测 量计 划的一 部分而正在 研制的跟踪 相关接收 机 , 将使用三个?型负反 馈环路 。 用 幅度不 灵敏的相位环路 控制内部移相器 以便通过 干 涉仪天 线方 向图来跟踪射 电源 , 该环路能 同时使 振幅 倍增器的输入保持同相位 闪或 反 相 。 相对相位读 出数据是可能出现的相烁的 检测值 。 振 幅环路 将利用振幅倍增器的累 输出来 控 制可变 的参考噪声源 , 该噪声 源 的输出直 接加到 天线 输入端 。 这个环 路要保持乘法器 的输出时间平 均值为零 。 使 得受控 参考源的 输 出
2、电平调定值始 终是天线所 接收的信号功 率的指示 。 第三个环 路控制 一个独立的噪声源 , 把 该噪声源的 输出加到接收机信道上 。 这个环 路将提供 所 接收的总噪声 功率 输出 , 并在两 个信道 上 能保持 整个接收机元件的工作 点相 同 。 拟用# %,% 9 暇噪声信号的振幅 数据和相位数据 , 而完全不受诸如接收机信 道增益 、 相位 、 带 宽及乘法器的工作点等参数变化之影响 。 这 就提供了下列优点 ? 即所有 反 馈环路都是? 刑 , 因为在 每个环路上都接了一 只 自由积分 器 。 因此可以允许 输入是阶跃变化而稳态误 差为零 , 而在 斜 升输入#即 同相) 时 , 其
3、固 定百分比误差与斜升速度和环 路响应速率之 比成正比 。 相位环 对信号振幅 变化是不 敏感 的 , 而相位环路增益和振幅环路增益都与 输 入信 号的相对相 位无关 。 此外 , 系统还有一 个优 汽 , 就是它述 包含了测量单夭 线输入端 总功率的 电路 。 直接记 录振 幅和相 位 并不新颖 , 但 对作者的认识而 言 , 这 是第一次把它与 赖 尔 ? 一 冯伯格的振幅 反馈结合起来 , 以便不受 增益和带宽变化以及 相位 变化的影 响 。 花有 频率刻度计算机模 拟中 , 已验证了基木 工作 原邓的正确性 。 下 列逻辑运算 ? 1 1 。 移 御匆 姗一 ? 夕 黔扩撼 戴 # 粼
4、拦 云 日 籍珊刃 图? ! 具有 反 馈的跟踪 相关接收机的 模 拟计 算机 模拟 。 所 有开关都是以 ! ?赫同步驱动的 。 园圈代表可调 衰减器 , 每个放大器和积分籍的 增益 示于 三角形图内 。 ! 模拟计算机模拟 用于测试的模 拟计算机 结构示于图? 。 可以把它 看作为由相 位跟踪环和振 幅跟 踪环 两 部分组成 。 相位 跟踪环是锁相环的一 种形 式 , 它工作在 从 输人点1 ? 和1 ? 引进来的限 带 噪声 匕并保证点1 。 的 信号 总是与点 1 上的 信 号同相 。 1 ? 和1 ? 上的输入模 拟 天 线输入 。 用一只?型 反馈环 就能实现 相 位 跟踪 , 该
5、环 路操 纵一只受控移相器 , 环路 增 益 寸根均方信 号振幅 无天, 只 要有足够的信 一 号 , 在乘法器 输入端产 生适 当的限幅就行 囚此 , 乘法器 只能 处理 过零点信息 , 并完成 图?的 底部包含了振幅跟踪反 馈环 路 。 振幅倍增器的 愉入由 模 拟天线 和 可 控 限 带噪声 源交 替供 给 , 相位 跟赊环的响 应快得足以使每 对输入按照需要以精确相位 或反相 位加到倍 增器 二 。 然后 振幅反馈环 路 工作 , 以保 持积分器的时间军均输入为 零 , 因而压 控衰减器就保持在 某一个近似的 稳定 值上 。 用这种方法就可使 控制衰减器 信 号的 振幅均方根值 等于加
6、到接 收机输入端1 ? 和 1 ? 的 信 号振幅均方 根值 。 要求在衰减器后 面接一只士4 。 移相器 , 使 得在 旬个半 。转 换 周期内 # 零负反馈 ) 产生 负的倍 增器输出 。 两个噪声源使用 4+双极晶体管 , 工 作 于雪崩状态 。 这些晶休管后接一只具肴增益 的低 通滤 波器 , 然后再 接一只有源双/反馈 带通滤波器 , 该滤波器具有 = ! ?赫的 中 心 频率和 ! 赫的分贝带宽 。 因为 这些 信 号 源产生限带噪声 , 所以在双接收机信道中 , 份 对相对时 间延迟而言是 绝对适合 的 , 但是对 时间延迟而 言 由于它比所使用的带 宽 倒 数 小 , 故将它们
7、 看成 是讯 号间的相位差乃是一 种好的近似 , 正如劳特莱杰和文尔戴 克所讨 论的那样, 。 同样地 , 所 给 出的相对带宽很 小 , 在晶体管输 出噪声谱偏离 白噪声情 况 下 , 甚至在极限情况下 , 当它 们完全变为 ? 特性时 , 也不会严 重影响模拟有效性 。 使用的模拟计算机是一 种士 ? 伏量程 的 : 7型精密模拟计算机设备 。 固定的4 移相器 , 噪声源和带 通滤波器是通 过 外部连 接点进 行连接的 。 用作 相关器的 乘法器是一 种快速# 千赫 )四象限 、 = 二极 管组? = 方 形 型式 。“ 可控 ” 参考源 衰减器 由带有线 性电位 计的标准伺服机 械乘法
8、器 组成 。 所示 的两个可变移相器是通过 把固定的4 “ 移相 器与伺服机械分解器# 具有正弦和余弦电位 刹 、的 伺服乘法器) 相 组合而 实现的 。 这些分 解器 由等幅的同相 和正交 噪声分 量驱动 , 而后二者贡新组合 。 伺服机械乘 法器和分解 器 都具有小于 ! +秒的满程 响应时间。 通过 下列方 式 就可使可控 移相器只工作于士?6 的角度范围 , 即每当到达 十 ? 6 。 的极限时 , 用电子的或 自动的方 式把 驱动积分器 重调到 与一?6 。 相 对应的初始 状态 反之亦然 。 在 接 收机的实际射频实 现 中 , 也要求类似的直 流控制工作 , 但 实 现起来却很简
9、单 。 必拭赫毋漏 偏偏式 口口口 拟幻 幻 ! 射频的可能实现方案 图 示 出了跟踪相关接收机 的 射频 的可 能实现方 案 。 它可以方便地看成是三个几乎 单独的系统 , 即相位 跟踪部 分 , 振幅 跟踪部 分和总 功率环路 。 相位跟踪和振幅跟踪两个 部分在 模拟计算机模 拟中也 出 现过 总功率环 路 控制一个与右端信 道相连的独立噪声源 。 目前 , 相位跟 踪环 路 包括一个本机 振 荡 器和两个混频器 , 以便 转变成 中频 这部分电 路基本上是限带信号#已由劳特莱杰和文尔 图 具有 反馈和总功率 输出# 例 如在 总 功率 输出至记 录器? ! 兆赫 进打接 收时)的跟踪相关
10、接收机的: 能的 射 颂实 现 ? 所 有 开关同步传动 。 戴克讨论过)锁相环 移相器的改进 型式 + 。 图 中的移相器目前只工作 几连续 波# ) 本振信 号 。 它的相移与直流控制电压 成比 例 , 谈电压作 为一种 补偿 信 号加 到接收机 主相位 跟踪 环路里的辅助连续波锁相环相位 检波器的输出 一。 因此限带 中频 噪声信号其 相对相位也进行了移相 。 为了便于在士?6 。 相位 极限值上 进行重调 , 以及为了先允许一 个积分器 、 然后 允许 另一个积分器在接收机 输 入端 与 射频开关同步连接 , 辅助的连 续波 移相器应当对控 制电压 的 阶跃 输入能作 出迅 速而 准确
11、的响应 。 因为辅助的连 续波移相 器 本身 就是一个很 快的?型控 制系统 , 所以这 样的 阶跃输入几乎不会出 现什么问题 。 虽然 不 象图 所示 那样 , 但天 线输入端之间的相 对相移与两个转换积分器 输出之差成比例 。 用 这 种方法 , 就可以对接 收机两个信道 中的 微分相移 进行 补偿 。 在实用 接收机 中 , 应使 相位 跟踪 环的响应时间足够 快 , 快到能与干 涉 仪边缘速 率#例 如 ? 分别以 秒与分 相 比)相比 , 那样 , 振幅测量中的总误差应 当 是 , 而且是远小于?拓 。 总之 , 由于 当角 度 接近 。 时 , 余弦函数的斜 率小 , 所以振幅测
12、量对小的相 位 角误差是很不灵敏的 。 , 振幅 跟踪环 路的工作与摸拟计算机模拟 专+玉 ?和的 样 闭为 粉跟赊环是敌意设计得很 快 , 所以其输入信 号的相关分量总是以精确 相位或反 相位 出现在 倍增器的输入端 。 左 端信道 中的元件应 当一直接到振幅跟 踪环路 上 , 但是右端 信道中的元件应当在天线和 可 控 噪声源之间进行分时 , 以避 免声可控 噪声 源的输出相 移和夭线信 号是不相同的数值 。 如果不进行 分时 , 就必须 把右端 混 频器和带 通放大器 从 振幅跟踪环去除 , 以免 使该系 统 对 这些元件中的增益和带宽变 化敏感 。 然而 , 当实现了分时时 , 如果星
13、系背景 噪声 代 表了信道 中相关 信号噪声 功率的主要 部分 , 那么右端信 道中所有系统元件的工作 点 对两个可能的 射频输入开关价置应 当不 同 。 此条件在 十米 波长上肯定是成立的 。 加 一个所示的独 立噪声源#其输出功率如同赖 尔 一 冯伯格接收机 中一 样受立型 环路控 制) 解决了这个 问题 。 此外 , 它同 时提供了代表 由右 端天 线所接收的总 功率的接收机输出 , 这本身是有价俏的 , 例如 ? 如果一个夭线是 一个已知有 效面 和的标准偶极天 线 , 而另一 个夭 线是一个有 效面积大 # 但面积不 确知 的)的夭线 阵 , 则就要求有 这 样的一个输 出 。 于是
14、正如瓦伊纳所 做的那样. 5 , 就可以 从正在进行的通蟹密度测量中用 代 数方法 消 除 未知的天线阵面积 。 遇 用于所 提出的射频实现方案的元件是 容枯买到的 。 这些元件 包括 ? 频率高 达=兆 赫时 而具有分贝 绝缘的互补金 属氧化物开 关 、 具 有一 定增益 ! 巨对木地振荡器排 斥 超过 +分贝的有源平衡调 制器 、 构成? ! 5兆赫相 位倍增器的发 射极祸 合逻 辑门电路和 具有适 当的响应与精度以及在? ! 5兆赫约为 口 输气阻抗 的跨导倍 增器 。 所选择 的? ! 侧匕赫 中频 妇#率与 商用调频广播 接收机中频频带相 同 。 材此 , 此频率用的各种集成电路放
15、大 器 、 3传振滤 波器和和3合网络是容易得 到的 。 积分器 应当由偏移小 、 输入电流小 , 漂移小 和甚不在 颇率高达检波前的带 宽时而具有高 增益 的运算放大器构成 。 以便保渝所有铭增 器输 出元件的线性滤波 ,良好。 适合这 种要东 的 混合运算敬次器在市场土也 是 可以买 到 的 。 杂散龟路元件的结构布局和控制 !还 要相 当小心 。 例如 , 只要独立噪声源引起钓大 信 号 出现在 未转换的夭钱输入端 , 就会广生产 重的误差 。 = ! 电路性能 用图?所 示的模 拟计算机填拟产 生的作 为时间函数的输 出振幅和 相位记录示于翻忍 。 所 有滤波都在 环路里进行 在系统输
16、 出端和 记录器 输入端之间没有加 附加滤被器 。 周 定 的输入振幅和周期性 扫描相位模拟了射电铆 所 通过的一个很 宽的天线接收方伯锣 。 勿 架 电离层相位 闪 烁会在 接收一个实际信源 期间 发 生 , 那么它就会在直线段相位记录中作为 偏离线性而 出现 。 图 ! 图?所示模拟计算机模 拟 的振帜 和相位 响应 。 输入是固定 振 幅 , 但 相位是周 期性扫描的 。 反愤环 路 中没有 外加滤 波 。 对于图所示 的记录 , 相位跟 踪环 的增 益使得在 ! 赫上产生 一个可测的单闭 环 极 点 , 而 振幅跟踪环在 ! ?赫呈现出 ? 个可 测的平 均单闭环 极点 。 对于 这个相 同 的 记录 , 均方恨值输入信号振幅是最大均方积 日 价 电压当 , 心
