2018天文学论文

时间:2017-12-20 文学毕业论文 我要投稿

  天文学是自然科学六大基础学科之一,它推动了人类社会的进步和科技的发展。天文学对于提高民族素质、培养创新精神及科学的思维方法,建立正确的世界观、宇宙观方面有着不可替代的作用。普及天文知识,对破除迷信、反对伪科学也具有重要的科学意义。发达国家及一些发展中国家的大学、中学都普遍开设了天文学课程。以下是2018天文学论文,欢迎阅读。

  1极化网络一体化设计

  本文采用极化器-耦合器-波导同轴转换整体结构的设计方案,工作频率为X波段的8~9GHz,可以同时接收左右旋信号,设计目标为:左、右旋SMA同轴输出口回波损耗大于20dB,耦合器的耦合度为(-30依2)dB,圆极化轴比小于0.5dB。整体结构示意图如图1所示,主体结构采用的是技术成熟的方波导隔板式极化器,耦合器采用的是双十字孔定向耦合器,波导同轴转换器则采用探针加调谐柱的馈电结构。本设计采用一体化结构将耦合器、极化器、波导同轴转换器集成到一个腔体内,从而达到减小体积、降低损耗的目的。

  1.1波导同轴转换器设计

  波导同轴转换器采用探针加调谐柱的方式进行馈电,为了改善波导与同轴线间的匹配特性和整个设计的驻波特性,可以通过改变探针探入腔体的长度、探针在腔体上的相对位置、探针末端外加小圆柱体等方式进行调节[4]。此外,根据设计目标本设计还通过额外增加一个调谐柱的方式来改善端口驻波性能并增加匹配带宽。

  1.2定向耦合器设计

  耦合器在微波系统中主要用于功率监测、系统标定、测定插入衰减等。经过比较与分析最终采用的是具有结构紧凑、方向性高、频带宽、过渡衰减几乎为恒定等优点的斜十字孔型定向耦合结构[5],其结构如图2所示。这种耦合结构的另一优点是耦合结构中的副波导与主波导可以相互垂直,有效降低了整体设计的高度。

  1.3极化器设计

  圆极化波可以看成是由两个相位相差90毅等幅正交的电场分量所构成。隔板式极化器是通过在波导中插入一片具有多阶台阶的金属隔板来实现圆极化波与线极化波的相互转换[6鄄11]。如图3所示,方形端口处的圆极化波可以分解成两个等幅正交的TE10与TE01模式,其中TE10模式与极化器隔板相互垂直,其在通过隔板时隔板对它只起均分作用而不改变它的传输常数。TE01模式平行于隔板,根据脊效应理论,隔板可以等效成脊波导,TE01的传输常数与隔板上阶梯的高度与宽度相关,通过改变隔板的形状就可以使TE10模与TE01模通过隔板后的相移差为90毅,从而实现圆极化波与线极化波之间的相互转换[7]。隔板式圆极化器具有结构紧凑、体积小、易加工等优点因而被大量地应用在各波段射电天文低温接收机极化网络中,尤其是X、K、Ka、Q、W波段等应用十分广泛。隔板式圆极化器公共端口的尺寸选择时需要注意保证波导的高次截止模不要落在目标频段内,否则会造成目标频段内S参数曲线出现毛刺等现象从而破坏整个频段内的电磁特性[8鄄9],通过适当选择公共端口方形波导的尺寸可以有效避免这一现象。隔板阶梯尺寸在设计时应先根据隔板式圆极化器的理论确定一个大概值[10],这个大概值不可偏离实际理想数值太大,否则会给仿真带来过大的负担,此外偏离实际数值太大也会造成仿真数据选取时难以区别正确方向导致最后选取的尺寸与实际尺寸相差较远从而无法得到最优结果。本设计采用电磁仿真软件对隔板式极化器隔板进行电磁仿真,在理论计算的基础上对隔板长度、宽度、高度进行优化设计,经过大量的仿真与计算得到了较为理想的结果。

  1.4整体设计与优化

  总体设计结构的电磁仿真模型如图4所示。整体性能调整:极化特性,极化特性的好坏主要与隔板各阶梯的尺寸大小有关,通过调节各阶梯的宽度与高度可以使经过隔板的两种模式波的相位差尽量为90毅。而分配到隔板左右两侧的能量主要与隔板的厚度有关,为方便加工隔板厚度一般大于1mm,在经过仿真优化之后本设计的隔板厚度定为2mm。耦合度的强弱主要与孔径面积、开孔形状等因素相关,可以通过调节十字孔的大小使得耦合度在-30dB左右,通过调节双十字孔的相对位置改变耦合的定向性。端口驻波的影响因素很多,主要可以通过调节探针的探入深度、馈电高度来调节,本设计还在探针末端额外加了一段直径更大的柱体以改善驻波(a)电磁仿真模型侧视(b)电磁仿真模型正视图4电磁仿真模型性能,此外还通过在馈电口附近添加调谐柱来增加匹配带宽。当波导同轴转换器、极化器和耦合器均达到设计要求后再进行整体优化与调整,如端口驻波,在整体结构中,不仅仅只与探针的参数有关,隔板参数的改变对其也是有影响的,所以整体结构中每一个参数的调节都要让它尽量符合所有性能的要求[12]。

  2仿真与测试结果

  2.1隔板仿真结果

  通过使用电磁仿真软件对整体设计进行了电磁特性仿真与性能优化,其结果表明极化器的电磁特性会随着隔板阶梯数量的增加而获得改善,当隔板数量增加到5阶时便会获得足够好的电磁特性,这时继续增加阶梯获得的效果趋于不明显,所以本设计隔板最终确定使用5阶阶梯。图5是隔板的结构示意图,表1给出了隔板与波长的相关尺寸,姿为8.5GHz波长,隔板厚度为2mm。

  2.2测试结果

  实物整体尺寸大小为100mm伊70mm伊60mm,重量为:0.45kg。主体由方形壳体、隔板、耦合器盖板、SMA同轴接口组成。

  3结论

  本文通过对X波段射电天文低温接收机极化网络的深入研究与分析设计出了包含极化器、耦合器、波导同轴转换器在内的一体化结构,该新型结构设计不仅减小了馈源系统的体积,还有效降低了接收机的插入损耗与噪声温度,同时还简化了接收机总体设计、降低了采购成本。又由于极化网络为无源结构,很难出现故障,因而该设计也大大降低了接收机的维护复杂度。测试结果表明该设计完全可以满足X波段射电天文接收机在未来深空探测任务中的应用。

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