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适用于SKA低频孔径阵列的接收模块设计研究
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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,P1dB约14dBm,OIP3优于25dB。
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1、引言
平方公里阵列SKA(SquareKilometerArray）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—10GHz（可扩展至25GHz），比目前最大厘米波综合孔径望远镜JVLA(JanskyVeryLargeArray）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（LowFrequencyApertureArray,LFAA）、2500面抛物面天线（Dishes）阵列以及中频孔径阵列（MidFrequencyApertureArray,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0.61dB，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，1.38×10-23J/k。
由（1）可知，单天线的噪声为-86dBm，总系统噪声可由式（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-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
相对于所有其他噪声因素，如果PNoise＿ADC<10%(PNoise＿RX），我们假设可以忽略ADC增加的噪声。
接收机噪声系数和等效输入噪声温度在350MHz时计算为NFReceiver=0.61dB,TRX=44.5K。此外，LNA噪声系数和增益指定为NFLNA=0.56dB(TLNA=40K）和GLNA=40dB，总接收增益为75dB，其中20dB是前端增益，接收模块增益大于15dB。在LNA(40dB）之后，TLNA和TRX之间的差值因此是45000K，因此允许RX的噪声温度贡献超过TRX＿0=45000K，其等于噪声系数NFRX:
当RX部分贡献约10%的总噪声时，如果这些45000K中的10%归因于ADC，即4500K且RX的总增益为35dB，则会产生ADC输入参考噪声温度TADC和最大ADC噪声系数NFADC:
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。
图132通道接收模块实物图片
4、测试结果与分析
对研制的32通道接收模块的通道增益、P1dB、OIP3进行测试，测试结果满足设计指标要求，如图2所示。
图21～16通道增益曲线
图317～32通道增益曲线
图4P1dB及OIP3测试结果
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：
[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.
陶小辉,李庄,荣大伟,姜力晖,曹锐.一种适用于SKA低频孔径阵列的接收模块设计[J].电脑知识与技术,2020,16(21):215-216.
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