2018天文學(xué)論文
天文學(xué)是自然科學(xué)六大基礎學(xué)科之一，它推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì )的進(jìn)步和科技的發(fā)展。天文學(xué)對于提高民族素質(zhì)、培養創(chuàng )新精神及科學(xué)的思維方法，建立正確的世界觀(guān)、宇宙觀(guān)方面有著(zhù)不可替代的作用。普及天文知識，對破除迷信、反對偽科學(xué)也具有重要的科學(xué)意義。發(fā)達國家及一些發(fā)展中國家的大學(xué)、中學(xué)都普遍開(kāi)設了天文學(xué)課程。以下是2018天文學(xué)論文，歡迎閱讀。
1極化網(wǎng)絡(luò )一體化設計
本文采用極化器-耦合器-波導同軸轉換整體結構的設計方案,工作頻率為X波段的8~9GHz,可以同時(shí)接收左右旋信號,設計目標為:左、右旋SMA同軸輸出口回波損耗大于20dB,耦合器的耦合度為(-30依2)dB,圓極化軸比小于0.5dB。整體結構示意圖如圖1所示,主體結構采用的是技術(shù)成熟的方波導隔板式極化器,耦合器采用的是雙十字孔定向耦合器,波導同軸轉換器則采用探針加調諧柱的饋電結構。本設計采用一體化結構將耦合器、極化器、波導同軸轉換器集成到一個(gè)腔體內,從而達到減小體積、降低損耗的目的。
1.1波導同軸轉換器設計
波導同軸轉換器采用探針加調諧柱的方式進(jìn)行饋電,為了改善波導與同軸線(xiàn)間的匹配特性和整個(gè)設計的駐波特性,可以通過(guò)改變探針探入腔體的長(cháng)度、探針在腔體上的相對位置、探針末端外加小圓柱體等方式進(jìn)行調節[4]。此外,根據設計目標本設計還通過(guò)額外增加一個(gè)調諧柱的方式來(lái)改善端口駐波性能并增加匹配帶寬。
1.2定向耦合器設計
耦合器在微波系統中主要用于功率監測、系統標定、測定插入衰減等。經(jīng)過(guò)比較與分析最終采用的是具有結構緊湊、方向性高、頻帶寬、過(guò)渡衰減幾乎為恒定等優(yōu)點(diǎn)的斜十字孔型定向耦合結構[5],其結構如圖2所示。這種耦合結構的另一優(yōu)點(diǎn)是耦合結構中的副波導與主波導可以相互垂直,有效降低了整體設計的高度。
1.3極化器設計
圓極化波可以看成是由兩個(gè)相位相差90毅等幅正交的電場(chǎng)分量所構成。隔板式極化器是通過(guò)在波導中插入一片具有多階臺階的金屬隔板來(lái)實(shí)現圓極化波與線(xiàn)極化波的相互轉換[6鄄11]。如圖3所示,方形端口處的圓極化波可以分解成兩個(gè)等幅正交的TE10與TE01模式,其中TE10模式與極化器隔板相互垂直,其在通過(guò)隔板時(shí)隔板對它只起均分作用而不改變它的傳輸常數。TE01模式平行于隔板,根據脊效應理論,隔板可以等效成脊波導,TE01的傳輸常數與隔板上階梯的高度與寬度相關(guān),通過(guò)改變隔板的形狀就可以使TE10模與TE01模通過(guò)隔板后的相移差為90毅,從而實(shí)現圓極化波與線(xiàn)極化波之間的相互轉換[7]。隔板式圓極化器具有結構緊湊、體積小、易加工等優(yōu)點(diǎn)因而被大量地應用在各波段射電天文低溫接收機極化網(wǎng)絡(luò )中,尤其是X、K、Ka、Q、W波段等應用十分廣泛。隔板式圓極化器公共端口的尺寸選擇時(shí)需要注意保證波導的高次截止模不要落在目標頻段內,否則會(huì )造成目標頻段內S參數曲線(xiàn)出現毛刺等現象從而破壞整個(gè)頻段內的電磁特性[8鄄9],通過(guò)適當選擇公共端口方形波導的尺寸可以有效避免這一現象。隔板階梯尺寸在設計時(shí)應先根據隔板式圓極化器的理論確定一個(gè)大概值[10],這個(gè)大概值不可偏離實(shí)際理想數值太大,否則會(huì )給仿真帶來(lái)過(guò)大的負擔,此外偏離實(shí)際數值太大也會(huì )造成仿真數據選取時(shí)難以區別正確方向導致最后選取的尺寸與實(shí)際尺寸相差較遠從而無(wú)法得到最優(yōu)結果。本設計采用電磁仿真軟件對隔板式極化器隔板進(jìn)行電磁仿真,在理論計算的基礎上對隔板長(cháng)度、寬度、高度進(jìn)行優(yōu)化設計,經(jīng)過(guò)大量的仿真與計算得到了較為理想的結果。
1.4整體設計與優(yōu)化
總體設計結構的電磁仿真模型如圖4所示。整體性能調整:極化特性,極化特性的好壞主要與隔板各階梯的尺寸大小有關(guān),通過(guò)調節各階梯的寬度與高度可以使經(jīng)過(guò)隔板的兩種模式波的相位差盡量為90毅。而分配到隔板左右兩側的能量主要與隔板的厚度有關(guān),為方便加工隔板厚度一般大于1mm,在經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化之后本設計的隔板厚度定為2mm。耦合度的強弱主要與孔徑面積、開(kāi)孔形狀等因素相關(guān),可以通過(guò)調節十字孔的大小使得耦合度在-30dB左右,通過(guò)調節雙十字孔的相對位置改變耦合的定向性。端口駐波的影響因素很多,主要可以通過(guò)調節探針的探入深度、饋電高度來(lái)調節,本設計還在探針末端額外加了一段直徑更大的柱體以改善駐波(a)電磁仿真模型側視(b)電磁仿真模型正視圖4電磁仿真模型性能,此外還通過(guò)在饋電口附近添加調諧柱來(lái)增加匹配帶寬。當波導同軸轉換器、極化器和耦合器均達到設計要求后再進(jìn)行整體優(yōu)化與調整,如端口駐波,在整體結構中,不僅僅只與探針的參數有關(guān),隔板參數的改變對其也是有影響的,所以整體結構中每一個(gè)參數的調節都要讓它盡量符合所有性能的要求[12]。
2仿真與測試結果
2.1隔板仿真結果
通過(guò)使用電磁仿真軟件對整體設計進(jìn)行了電磁特性仿真與性能優(yōu)化,其結果表明極化器的電磁特性會(huì )隨著(zhù)隔板階梯數量的增加而獲得改善,當隔板數量增加到5階時(shí)便會(huì )獲得足夠好的電磁特性,這時(shí)繼續增加階梯獲得的效果趨于不明顯,所以本設計隔板最終確定使用5階階梯。圖5是隔板的結構示意圖,表1給出了隔板與波長(cháng)的相關(guān)尺寸,姿為8.5GHz波長(cháng),隔板厚度為2mm。
2.2測試結果
實(shí)物整體尺寸大小為100mm伊70mm伊60mm,重量為:0.45kg。主體由方形殼體、隔板、耦合器蓋板、SMA同軸接口組成。
3結論
本文通過(guò)對X波段射電天文低溫接收機極化網(wǎng)絡(luò )的深入研究與分析設計出了包含極化器、耦合器、波導同軸轉換器在內的一體化結構,該新型結構設計不僅減小了饋源系統的體積,還有效降低了接收機的插入損耗與噪聲溫度,同時(shí)還簡(jiǎn)化了接收機總體設計、降低了采購成本。又由于極化網(wǎng)絡(luò )為無(wú)源結構,很難出現故障,因而該設計也大大降低了接收機的維護復雜度。測試結果表明該設計完全可以滿(mǎn)足X波段射電天文接收機在未來(lái)深空探測任務(wù)中的應用。
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