新疆天文臺26米望遠鏡L波段接收機線-圓偏振的轉換*

陳 勇，孫正文，閆 浩，李 健，李大磊 ，李笑飛，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)

中國科學院新疆天文臺南山基地26 m射電望遠鏡L波段接收機可用于脈沖星觀測、分子譜線觀測和VLBI國際聯測[1]等多項觀測任務。L波段接收機主要是為脈沖星觀測研制的，使用線偏振饋源接收電磁波信號，因此饋源輸出線偏振信號，但是分子譜線觀測和VLBI國際聯測需要圓偏振信號，所以L波段接收機需要一個偏振轉換裝置完成線偏振信號到圓偏振信號的轉換，用于接收圓偏振信號。在線偏振信號轉換為圓偏振信號的過程中，必須保證右旋圓偏振信號和左旋圓偏振信號相互隔離。

國內許多天文臺有將天線接收的線偏振信號轉換為圓偏振信號的需求[2-7]。新疆天文臺26 m射電望遠鏡L波段接收機圓偏振觀測模式如圖1，天線接收的電磁波信號在線極化器中被轉換為垂直和水平兩路線偏振信號，這兩路線偏振信號被杜瓦中的低噪聲放大器放大后進入90°電橋，通過90°電橋完成線偏振信號到圓偏振信號的轉換。這種偏振轉換方式較容易實現，不會對接收機的系統溫度產生影響。

圖1 圓偏振系統框圖
Fig.1 A block diagram of the circular polarizer system

為了方便圓偏振觀測模式和線偏振觀測模式的切換，在接收機系統中做了一個可插拔的模塊，觀測脈沖星時在接收機上插入線偏振模塊，觀測分子譜線和VLBI聯測時插入圓偏振模塊。

1 原 理

天線接收的任意電磁波都可以被分解為右旋圓偏振電磁波和左旋圓偏振電磁波[8]。設電磁波信號的角頻率為ω，則這兩路圓偏振信號可以表示為

(1)

(2)

電磁波信號被天線接收后進入L波段饋源，在線極化器中被轉變為水平線偏振信號和垂直線偏振信號，用電壓形式表示為[5]

Vx=acos(ωt+φr)+bcos(ωt+φl),

(3)

Vy=asin(ωt+φr)-bsin(ωt+φl) .

(4)

其中，Vx為水平線偏振信號；Vy為垂直線偏振信號；a,b分別為右旋圓偏振信號和左旋圓偏振信號在極化器中產生的電壓信號的振幅。

由(3)式和(4)式可知，這兩路線偏振信號包含左旋圓偏振信號和右旋圓偏振信號，因此必須通過一定的方法將左、右旋圓偏振信號分離才能滿足圓偏振觀測的需求。分離左、右旋圓偏振信號通過90°電橋完成。圖2是90°電橋的結構原理圖[9]，它的特性是由端口①輸入的功率在端口②和端口③之間平分且有90°相位差，端口④無輸出(隔離端口)。

圖2 90°電橋的結構
Fig.2 The 90°Hybrid Coupler

90°電橋的結構具有對稱性，任何一個端口可以作為輸入端口，兩個輸出端口在輸入端口相反的方向上，隔離端口與輸入端口在同一側。90°電橋的S矩陣[10]：

(5)

由(5)式可知，當接收機接收的兩路線偏振信號Vx，Vy分別接入90°電橋的端口①和端口④時，端口②和端口③的輸出為

(6)

(7)

從(6)式和(7)式可以看到，天線接收的任意電磁波進入90°電橋后，在90°電橋的一個輸出端口只包含左旋圓偏振信號，另一個輸出端口只包含右旋圓偏振信號，從而實現了左、右旋圓偏振信號的分離。

2 線偏振信號到圓偏振信號轉換的實現

在實際接收機系統中，電磁波信號在線極化器中被分為垂直線偏振和水平線偏振兩路信號，這兩路線偏振信號被低噪聲放大器放大后進入90°電橋。在這個過程中，線極化器、低噪聲放大器以及連接它們的同軸電纜會對這兩路線偏振信號產生影響，使這兩路線偏振信號的功率和相位發生改變，因此在這兩路線偏振信號進入90°電橋之前必須對它們的功率和相位進行調整。

為了方便調整信號且不對線偏振觀測產生影響，對功率和相位的調整在圓偏振模塊中進行。

2.1 功率調整

進入90°電橋的兩路線偏振信號的功率相等是形成圓偏振信號的必要條件之一，功率調整的步驟如下：

(1)將頻譜儀的頻率設置為需要的頻率范圍；

(2)將水平線偏振信號接入頻譜儀，并記錄功率值；

(3)將垂直線偏振信號接入頻譜儀，通過調整衰減器的值，使垂直線偏振信號的功率等于水平線偏振信號的功率。

2.2 相位調整

相位調整是非常重要的一步，如果兩路線偏振信號的相位差不合適，在90°電橋的輸出端就不能很好地將左、右旋圓偏振信號分離。相位調整通過調整同軸電纜的長度實現，由于波導至低噪聲放大器輸入、低噪聲放大器輸出至杜瓦輸出、杜瓦輸出至插槽這幾部分的電纜長度很難改變，因此通過調整圓偏振模塊中插槽至90°電橋這段同軸電纜的長度達到調整相位的目的。

利用矢量網絡分析儀可以測出兩路線偏振信號從低噪聲放大器輸入到90°電橋輸入之間的相位差[5]，但是這種方法對正在使用的L波段低溫制冷接收機來說比較麻煩。在實際應用中，利用Tektronix MSO70404C混合信號示波器測量兩路線偏振信號在中心頻率f=1 650 MHz處的相位來調整兩路線偏振信號的相位差。

相位調整的步驟如下：

(1)將水平線偏振信號接入示波器，調整示波器的參數，使水平線偏振信號在示波器中顯示的波形為余弦波；

(2)將垂直線偏振信號接入示波器，調整垂直線偏振信號同軸電纜的長度，可以改變垂直線偏振信號的波形，使其在示波器中顯示的波形為正弦波。這時兩路線偏振信號在中心頻率處正好相差四分之一波長。

圖3為調整后的兩路線偏振信號的相位。

圖3 兩路線偏振信號的相位差
Fig.3 The relative phase of the two signals

3 測 試

3.1 圓偏振測試

在實際測試中，用一個右旋圓偏振天線發送右旋圓信號，用頻譜儀分別在L波段接收機右旋圓偏振輸出端和左旋圓偏振輸出端接收信號。

從圖4可以看到，右旋圓偏振信號和左旋圓偏振信號在1.53～1.72 GHz的范圍內實現了偏振隔離，這段頻率也是VLBI聯測需要的頻率范圍。在1.4～1.5 GHz的范圍內偏振隔離沒有達到預期目標，經過實際測試后發現，這是由于兩個低噪聲放大器在不同頻率上的相位一致性不好造成的。

3.2 圓偏振觀測

2017年5月25日新疆天文臺26 m射電望遠鏡與歐洲VLBI網各臺站聯合觀測，使用L波段接收機圓偏振進行條紋檢測實驗，實驗獲得了成功。圖5是新疆天文臺與德國Effelsberg 100 m射電望遠鏡的相關干涉條紋[注]http://www.evlbi.org/tog/ftp_fringes/N17L2/scan02/index.html。

圖4 L波段接收機的圓偏振隔離
Fig.4 Circular polarization isolation of the L band receiver

圖5 L波段圓偏振條紋檢測。(a) 左旋圓偏振相關干涉條紋；(b) 右旋圓偏振相關干涉條紋

Fig.5 L-band circular polarization fringe test. (a) Left-hand circular polarization signal interference fringe;(b) Right-hand circular polarization signal interference fringe

4 結 論

新疆天文臺L波段低噪聲制冷接收機通過一個圓偏振轉換模塊，將線偏振信號轉換為圓偏振信號，實現了左、右旋圓偏振信號的隔離，可以使用線偏振饋源觀測圓偏振信號。