2018天文學(xué)論文
天文學(xué)是自然科學(xué)六大基礎(chǔ)學(xué)科之一，它推動了人類社會的進步和科技的發(fā)展。天文學(xué)對于提高民族素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神及科學(xué)的思維方法，建立正確的世界觀、宇宙觀方面有著不可替代的作用。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(dá)國家及一些發(fā)展中國家的大學(xué)、中學(xué)都普遍開設(shè)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(shè)計
本文采用極化器-耦合器-波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案,工作頻率為X波段的8~9GHz,可以同時接收左右旋信號,設(shè)計目標(biāo)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主體結(jié)構(gòu)采用的是技術(shù)成熟的方波導(dǎo)隔板式極化器,耦合器采用的是雙十字孔定向耦合器,波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器則采用探針加調(diào)諧柱的饋電結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用一體化結(jié)構(gòu)將耦合器、極化器、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器集成到一個腔體內(nèi),從而達(dá)到減小體積、降低損耗的目的。
1.1波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器設(shè)計
波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器采用探針加調(diào)諧柱的方式進行饋電,為了改善波導(dǎo)與同軸線間的匹配特性和整個設(shè)計的駐波特性,可以通過改變探針探入腔體的長度、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行調(diào)節(jié)[4]。此外,根據(jù)設(shè)計目標(biāo)本設(shè)計還通過額外增加一個調(diào)諧柱的方式來改善端口駐波性能并增加匹配帶寬。
1.2定向耦合器設(shè)計
耦合器在微波系統(tǒng)中主要用于功率監(jiān)測、系統(tǒng)標(biāo)定、測定插入衰減等。經(jīng)過比較與分析最終采用的是具有結(jié)構(gòu)緊湊、方向性高、頻帶寬、過渡衰減幾乎為恒定等優(yōu)點的斜十字孔型定向耦合結(jié)構(gòu)[5],其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種耦合結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點是耦合結(jié)構(gòu)中的副波導(dǎo)與主波導(dǎo)可以相互垂直,有效降低了整體設(shè)計的高度。
1.3極化器設(shè)計
圓極化波可以看成是由兩個相位相差90毅等幅正交的電場分量所構(gòu)成。隔板式極化器是通過在波導(dǎo)中插入一片具有多階臺階的金屬隔板來實現(xiàn)圓極化波與線極化波的相互轉(zhuǎn)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,其在通過隔板時隔板對它只起均分作用而不改變它的傳輸常數(shù)。TE01模式平行于隔板,根據(jù)脊效應(yīng)理論,隔板可以等效成脊波導(dǎo),TE01的傳輸常數(shù)與隔板上階梯的高度與寬度相關(guān),通過改變隔板的形狀就可以使TE10模與TE01模通過隔板后的相移差為90毅,從而實現(xiàn)圓極化波與線極化波之間的相互轉(zhuǎn)換[7]。隔板式圓極化器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、易加工等優(yōu)點因而被大量地應(yīng)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(yīng)用十分廣泛。隔板式圓極化器公共端口的尺寸選擇時需要注意保證波導(dǎo)的高次截止模不要落在目標(biāo)頻段內(nèi),否則會造成目標(biāo)頻段內(nèi)S參數(shù)曲線出現(xiàn)毛刺等現(xiàn)象從而破壞整個頻段內(nèi)的電磁特性[8鄄9],通過適當(dāng)選擇公共端口方形波導(dǎo)的尺寸可以有效避免這一現(xiàn)象。隔板階梯尺寸在設(shè)計時應(yīng)先根據(jù)隔板式圓極化器的理論確定一個大概值[10],這個大概值不可偏離實際理想數(shù)值太大,否則會給仿真帶來過大的負(fù)擔(dān),此外偏離實際數(shù)值太大也會造成仿真數(shù)據(jù)選取時難以區(qū)別正確方向?qū)е伦詈筮x取的尺寸與實際尺寸相差較遠(yuǎn)從而無法得到最優(yōu)結(jié)果。本設(shè)計采用電磁仿真軟件對隔板式極化器隔板進行電磁仿真,在理論計算的基礎(chǔ)上對隔板長度、寬度、高度進行優(yōu)化設(shè)計,經(jīng)過大量的仿真與計算得到了較為理想的結(jié)果。
1.4整體設(shè)計與優(yōu)化
總體設(shè)計結(jié)構(gòu)的電磁仿真模型如圖4所示。整體性能調(diào)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),通過調(diào)節(jié)各階梯的寬度與高度可以使經(jīng)過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(cè)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)過仿真優(yōu)化之后本設(shè)計的隔板厚度定為2mm。耦合度的強弱主要與孔徑面積、開孔形狀等因素相關(guān),可以通過調(diào)節(jié)十字孔的大小使得耦合度在-30dB左右,通過調(diào)節(jié)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,主要可以通過調(diào)節(jié)探針的探入深度、饋電高度來調(diào)節(jié),本設(shè)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(cè)視(b)電磁仿真模型正視圖4電磁仿真模型性能,此外還通過在饋電口附近添加調(diào)諧柱來增加匹配帶寬。當(dāng)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器、極化器和耦合器均達(dá)到設(shè)計要求后再進行整體優(yōu)化與調(diào)整,如端口駐波,在整體結(jié)構(gòu)中,不僅僅只與探針的參數(shù)有關(guān),隔板參數(shù)的改變對其也是有影響的,所以整體結(jié)構(gòu)中每一個參數(shù)的調(diào)節(jié)都要讓它盡量符合所有性能的要求[12]。
2仿真與測試結(jié)果
2.1隔板仿真結(jié)果
通過使用電磁仿真軟件對整體設(shè)計進行了電磁特性仿真與性能優(yōu)化,其結(jié)果表明極化器的電磁特性會隨著隔板階梯數(shù)量的增加而獲得改善,當(dāng)隔板數(shù)量增加到5階時便會獲得足夠好的電磁特性,這時繼續(xù)增加階梯獲得的效果趨于不明顯,所以本設(shè)計隔板最終確定使用5階階梯。圖5是隔板的結(jié)構(gòu)示意圖,表1給出了隔板與波長的相關(guān)尺寸,姿為8.5GHz波長,隔板厚度為2mm。
2.2測試結(jié)果
實物整體尺寸大小為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(jié)論
本文通過對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(shè)計出了包含極化器、耦合器、波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的一體化結(jié)構(gòu),該新型結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅減小了饋源系統(tǒng)的體積,還有效降低了接收機的插入損耗與噪聲溫度,同時還簡化了接收機總體設(shè)計、降低了采購成本。又由于極化網(wǎng)絡(luò)為無源結(jié)構(gòu),很難出現(xiàn)故障,因而該設(shè)計也大大降低了接收機的維護復(fù)雜度。測試結(jié)果表明該設(shè)計完全可以滿足X波段射電天文接收機在未來深空探測任務(wù)中的應(yīng)用。
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