乌拉斯台观测站

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21CMA信号接收系统

21CMA的特点是虽然单元天线成本低,但是考虑到庞大的天线总数(10287面),为每一只天线安装一个接收系统将变得不现实。例如,为了降低系统噪声提取宇宙讯号,理想的做法是在每一天线的馈电端安置低噪声放大器(LNA)。虽然单只LNA的成本最终可被控制在500元左右,但若乘以10287,整个阵列仅LNA一种器件的造价就达到500万元,这还没有包括滤波器和中级放大器。而如果再对每一天线讯号单独进行数值化,每一模数转换器(ADC)在采样率400MHz和数字精度仅仅8bits时成本就已经达到1万多元一块,于是单ADC一项总预算就是2亿元,上述这些费用对于尚在发展中的中国天文学研究而言是很难实现的目标,而国际同类设备如LOFAR则在巨额经费投入下完成了对每一天线的数字化和移相。
受经费的制约,目前21CMA的单元天线仅在东西40组阵列和南北两组阵列安装了LNA,即目前仅42组天线具备良好观测条件。为21CMA特别设计的LNA工作波段为50-200MHz,噪声温度50K, 增益22.5dB, 平坦度小于0.5dB,驻波系数VSWR小于1.5:1,隔离度-80dB,经特殊工艺处理可以在野外无保护情况下使用,特别是能够适应乌拉斯台地区的巨大温差变化(-40o - 40oC)、常年的风沙和夏季的雷雨。

经第一级前置LNA放大后的天线信号再次经过低噪声电缆传输以“四合一”叠加的方式最终进入接收电路板,经50-200MHz带通滤波、两级27.5dB中级放大、二次50-200MHz滤波后,送入光发射机,信号通过连接每一天线阵列至控制中心的光缆传输至室内光接收机,最终恢复模拟电信号进入ADC。整个接收机的总放大率为87.5dB,其中包括了10dB的光发射机增益。由于一组天线pod内所使用电缆线总长度超过1公里,信号衰减主要来自电缆,且随频率改变。来自天线的信号输送至接收机前最大衰减在1.1(50MHz)至2.0dB(200MHz)之间变化,当127面天线的信号经大量电缆合成后,所产生的等效系统噪声温度在高于150MHz的频段甚至超过了银河系噪声温度(大约300K),这就是为什么必需尽可能使用大量的前置LNA增强来自宇宙的信号并降低系统噪声温度。实测表明,当LNA前置后,21CMA接收系统温度可以控制在60K左右,这主要由LNA自身的物理温度决定。

 

 

 

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