【摘 要】
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宇宙黎明和再电离时期,中性氢可产生红移21cm吸收和发射谱信号,提供宇宙早期演化历史的宝贵信息。通过全天频谱实验,在低频波段可测量获得全天平均21cm信号。针对匹配型全天频谱实验方案,本文开展高精度、高稳定接收机系统的设计与实验研究。分析了全天频谱实验测量原理和接收机性能参数对全天平均21cm信号测量的影响;提出了由射频模块、恒温模块及定标校准模块组成的匹配型接收机系统的总体方案;并分析了匹配型接
【基金项目】
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中国科学院科研仪器重点项目:宇宙黎明全天平均射电频谱测量装置（ZDKYYQ20200008）； 中国科学院空间科学战略先导科技专项（XDA15020200）；
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宇宙黎明和再电离时期,中性氢可产生红移21cm吸收和发射谱信号,提供宇宙早期演化历史的宝贵信息。通过全天频谱实验,在低频波段可测量获得全天平均21cm信号。针对匹配型全天频谱实验方案,本文开展高精度、高稳定接收机系统的设计与实验研究。分析了全天频谱实验测量原理和接收机性能参数对全天平均21cm信号测量的影响;提出了由射频模块、恒温模块及定标校准模块组成的匹配型接收机系统的总体方案;并分析了匹配型接收机系统研制的关键技术与难点。分析了21cm低频波段的天空信号和接收机数字后端相关器的动态范围,估算了射频模块链路,并由此设计了射频模块电路,包括低噪声放大器、噪声源及微波开关矩阵等射频模块的关键器件,保障了射频模块对天空信号及内置校准源信号的准确测量。为确保接收机的低噪放等关键器件的动态稳定工作,提高系统测量稳定性,设计了恒温控制模块。为准确高精度地探测微弱的全天平均21cm信号,分析了接收机定标校准模块的工作原理;基于Noise Wave等效噪声模型,详细设计了接收机系统的相对校准和绝对校准;基于矢量网络分析仪单端口校准原理,结合校准面平移的方法,详细设计了接收机反射系数的测量校准。通过校准接收机响应,提高了测量精度,可精确地还原得到真实的天空信号以实现对全天21cm信号的探测。接收机样机制作后,开展了室内测试,测试结果表明接收机噪声源、低噪声放大器及全向微波开关均符合设计要求;接收机在30MHz-200 MHz内,增益达到60d B,与理论设计的59.4d B一致性相符;接收机谐波抑制达到52d Bc,大于设计要求的50d Bc;带外抑制达到了80d Bc,大于设计要求的60d Bc;接收机灵敏度为0.026k,优于接收机要求的0.1k的设计目标;增益稳定度优于0.02d B,达到小于0.03d B的设计要求;验证了VNA单端口校准和参考面平移方法对提高器件反射系数测量精度的有效性。在新疆红柳峡射电天文观测站,开展了接收机野外测试与观测实验。测试结果表明,接收机恒温控制单元实现了在一个绝对校准周期内预设温度±0.2℃的稳定精度目标;天线和接收机反射系数测量具有较好的一致性,观测过程中的系统误差可被校准去除。观测实验表明,所设计的接收机观测数据与国外同类数据相比,测量结果一致性相符,表明已具备高精度和高稳定的测量能力。本文设计研制的匹配型全天频谱实验接收机,具有高精度、高稳定等特点,已可用于精密测量30-200MHz的天空频谱,探索第一代恒星和星系的形成宇宙黎明和再电离时期。同时,在高灵敏度测量、微弱信号提取等方面也具有潜在的应用前景。
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