李沙, 王威, 刘东浩, 颜毅华, 陈志军
中国科学院国家天文台中国科学院太阳活动重点实验室, 北京 100012
2015年06月15日 收稿; 2016年01月07日 收修改稿
基金项目: 国家重大科研装备项目（ZDYZ2009-3）、国家青年基金（11203042）、联合基金（U1231205）和国家自然科学基金面上项目（11573043）资助
通信作者: E-mail:lisha1400@bao.ac.cn

摘要: 使用Microwave Office软件，仿真分析MUSER-I（0.4~2 GHz）和MUSER-Ⅱ（2~15 GHz）3 dB定向耦合器。电桥采用多节耦合器实现，且每节耦合器的长度为中心频率波长的1/4，对电桥进行分析并制作实物。实测结果表明，MUSER-I的3 dB定向耦合器的输出幅度在（-3±0.2）dB，输出端口相位差在91.9°~89°之间；MUSER-Ⅱ的3 dB定向耦合器的电压驻波比在全频带范围内小于1.31，输出端口相位差在96.05°~85°之间。通过日像仪系统接收太阳左旋和右旋圆偏振射电信号，并计算信号的圆偏振度，得到观测圆偏振度与太阳信号本身圆偏振度之间的误差和太阳信号本身偏振度的关系。当太阳信号本身极化度为10%时，误差最大为9.4%。
关键词: 超宽带电压驻波比耦合器偏振度
Observation method of left and right circularly polarized solar radio signals using MUSER
LI Sha, WANG Wei, LIU Donghao, YAN Yihua, CHEN Zhijun
Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China


Abstract: The 3 dB couplers of MUSER-I and MUSER-Ⅱ are simulated using Microwave office software.Because of the ultra wide frequency band, multiple single couplers are used to synthesis one symmetrical coupler.The amplitude of MUSER-I 3 dB hybrid is (-3±0.2) dB, and the phase difference of this port is between 91.9° and 89°.For MUSER-Ⅱ 3 dB hybrid, the voltage standing wave ratio is less than 1.31 and the phase difference is between 96.05° and 85°.This radioheliograph receives left and right circularly polarized radio signals.The difference between the polarization degree of the Sun and the observed polarization degree is also measured, and the error is 9.4% when the original polarization degree is 10%.
Key words: ultra wide bandVSWRdegree of couplingdegree of polarization
位于内蒙古明安图观测站的厘米-分米波射电日像仪(MUSER)未来将成为太阳射电观测的重要设备之一，对研究太阳活动有着重要的意义.由于太阳信号的偏振度测试是日冕磁场，日冕是大气观测不可或缺的测量值，获得太阳左旋圆偏振和右旋圆偏振分量的关键微波器件3dB定向耦合器，可以作为功率分配器及功率合成器，利用输出功率相等，相位差90°的特性实现日像仪接收双圆偏振信号.3dB电桥在无源系统中是十分常见的器件，带状线的电桥在实现宽频带的过程中会发现结构形式难以达到体积小，结构紧凑等要求，不利于3dB电桥与其他有源和无源电路进行连接或集成.针对这一问题，提出一种新型结构的3dB电桥设计方案以适用于超宽带馈源接受双圆极化信号.
太阳射电爆发可以理解为与耀斑有关的太阳射电辐射增强，分为微波爆发、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型爆发等类型，小耀斑一般只有微波爆发(限于厘米波段)和Ⅲ型爆发，大耀斑则有微波爆发(可自厘米延伸至分米波段)，Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型爆发.爆发的特征之一就是射电信号携带偏振信息.微波爆发为连续谱，它的发射机制部分为热电子轫致辐射，部分为非热电子的磁回旋辐射.Ⅱ型爆发的辐射特点是无偏振或弱偏振，Ⅲ型爆发的辐射一般无偏振，有时候为弱圆偏振，Ⅳ型爆发的辐射方向性很弱，一般部分为圆偏振.太阳射电辐射包括宁静太阳射电，与耀斑有关的射电爆发，还包括慢变化(或缓变)成分和米波噪嚗^[1].慢变化成分为部分偏振，且观测到的辐射强度随辐射源的日心角距余弦变化，且有相当强的方向性，米波噪嚗中Ⅰ型爆发为强偏振，而且有很强的方向性.二维的太阳观测图像有助于研究太阳爆发现象，此种观测资料与其他观测资料相结合，有可能研究耀斑高能现象.基于此，研究太阳的射电偏振信号，显得极其重要，由于MUSER日像仪的馈源采用的由两组接收正交线偏振的振子组成，在馈源输出后端，必须添加3dB电桥实现信号的双圆偏振特性，以便计算信号的偏振度^[2].
MUSER日像仪由100面抛物面天线组成，频率分为0.4~2GHz和2~15GHz，馈源采用超宽带双线偏振Eleven馈源，由于接收的太阳信号变化周期不稳定，信号本身具备双圆偏振特性，故希望馈源与3dB电桥连接，输出双圆偏振信号至观测室^[3].基于此背景，本文对MUSER-Ⅰ期(0.4~2GHz)和MUSER-Ⅱ期(2~15GHz)应用的双圆极化合成器3dB耦合电桥进行仿真实测分析，并给出利用MUSER日像仪测试得到的太阳左旋圆偏振和右旋圆偏振度计算值，得出太阳射电信号本身偏振度与观测射电信号偏振度的误差与太阳射电信号本身偏振度的关系.
1 双圆偏振信号的太阳射电观测在地面上能够观测到的射电波长范围自毫米波至几十米波段，基本上包括了太阳色球低层和日冕外层全部射电辐射，测量日冕以上的太阳磁场，大都只能依赖于射电的偏振观测.MUSER日像仪接收厘米-分米波段的太阳射电辐射，利用综合孔径成像方法获得太阳图像，是研究太阳高层大气的重要手段之一.通过接收太阳辐射信号，可以测量某一特定波段的太阳射电辐射流密度(即辐射强度)、频谱分布、偏振以及特定波段射电辐射强度在日面上的分布(即射电波段的太阳单色像).太阳的射电辐射有1%量级的圆偏振^[1]，当太阳表面有爆发时，由于太阳活动区存在较强的磁场，故太阳辐射的偏振度较大，可以利用接收线极化信号的馈源和3dB电桥得到射电辐射的左旋圆偏振信号和右旋圆偏振信号，如图 1 所示，Eleven馈源接收水平和垂直极化的射电信号，通过微带线与3dB电桥相连，图中A、B端口为3dB电桥的输入端，C、D端口为3dB电桥的输出端.假定2个输入端口信号极化正交信号表示为E_A，E_B，当幅度相等时，这2个信号表示为可分别设为E_A=E₀e_x，E_B=E₀e_y，根据圆偏振形成的基本理论，形成圆偏振的2路信号必须满足偏振正交且相位相差90°. 因此，需要通过圆偏振形成网络分别在2个信号通道中实现90°的相移，再分别相加，得到所需的双圆偏振信号，如图 1所示的3dB电桥信号合成原理^[4].信号输出端口C、D处形成左右旋圆偏振信号表达式如式(1)所示.

$\begin{align} & {{E}_{C}}={{E}_{A}}{{e}^{-j90{}^\circ }}+{{E}_{B}}={{E}_{0}}(-j{{e}_{x}}+j{{e}_{y}}), \\ & {{E}_{D}}={{E}_{A}}+{{E}_{B}}{{e}^{-j90{}^\circ }}={{E}_{0}}({{e}_{x}}-j{{e}_{y}}). \\ \end{align}$

(1)

Fig. 1

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图 1 合成左右旋偏振信号示意图 Fig. 1 Schematic of composing the left and right circularly polarized signals

采用日像仪测量射电辐射的偏振时，这种偏振测量在较宽频带内测试，对研究太阳射电传播路径上的磁场分布有重要意义.当许多天线在地面沿一定规律排列时，这种射电仪器出来的图像与光学望远镜的观测相配合，可以大概分辨观测到的辐射来自日面活动的哪一个区域，射电日像仪还可以获得太阳耀斑过程中电子加速区的位置以及日冕磁场结构的信息，对日冕研究提供资料.
2 3dB耦合器电路设计仿真测试结果2.1 MUSER-Ⅰ期3dB耦合器电路设计仿真测试结果MUSER-Ⅰ 0.4~2GHz的宽带3dB电桥由对称的多节平行耦合线^[5]组成，主要参考的是Cristal^[6]等综合出的运用2个耦合度为-8.34dB的对称多节平行耦合线定向耦合器耦模阻抗数据表，结合定向耦合器的工作带宽要求，设计超宽带电桥在MUSER-Ⅰ中，根据工作带宽(带宽比5∶1，实际设计时通常应大于该值，以留一定的余量)，选择定向耦合器的节数为n=5，耦合波纹为δ=0.25dB，定向耦合器的带宽比为B=5.60527，相对带宽为w=1.3333.定向耦合器各节的归一化偶模阻抗分别为：Zoe1=1.04737,Zoe2=1.18822,Zoe3=1.95170. 由于定向耦合器结构的对称性，多节耦合器第1节奇偶模阻抗,Zoe1=1.04×50=52,Zoo1=50/1.04=48，多节耦合器第2节奇偶模阻抗，Zoe2=59，Zoo2=42，第3节奇偶模阻抗Zoe3=97.585，Zoo3=25.618.由于选择的是对称结构^[7-8]，故第1、2节分别与第4、5节物理尺寸相等，将各个长度计算出来后在仿真软件Microwave Office中画图如图 2所示，图 3给出的是3dB电桥S31和S41这2个参数的输出相位值，相位差值在90°附近，图 4给出的是S11、S12、S31与S41参数的幅度值，S31和S41的幅度值在(-3±0.2)dB，S11、S12的幅度值均小于-30dB，有效地减小了信号的回波损耗^[9-10].
Fig. 2

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图 2 Microwave Office 中的优化尺寸参数图 Fig. 2 Optimized parameter figure using microwave office

Fig. 3

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图 3 S31与S41输出的相位值 Fig. 3 Phase outputs of parameters S31and S41

Fig. 4

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图 4 S11、S12、S31与S41参数的幅度值 Fig. 4 Amplitudes of the S parameters

2.2 MUSER-Ⅱ期3dB耦合器电路设计仿真测试结果MUSER-Ⅱ期3dB电桥^[11]使用的是3层带状线结构，空气中间做介质.根据综合出的对称多节平行耦合线定向耦合器耦模阻抗数据表，结合定向耦合器的工作带宽要求(带宽比7.5∶1，设计时通常应大于该值，以留一定的余量).设计工作频带为2~15GHz，此定向耦合器的相对带宽w=1.7333，相对带宽比B=7.60527，图 5所示为3dB电桥的仿真模型，图 6给出的是3dB电桥的S参数曲线.由仿真结果可知：S11最大值是-18.37dB，S21最大值是-19.19dB，S31 和S41在(3±0.7)dB以内变化，输出端口相位差在96.05°～85°之间.图 7给出的是实测3dB电桥的输出幅度和端口电压驻波比值，由图 7可知，传输系数在(-3±0.7)dB，电压驻波比在全频带范围内小于1.31，满足项目要求.
Fig. 5

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图 5 电桥尺寸结构图 Fig. 5 Configuration of the 3dB hybrid

Fig. 6

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图 6 电桥仿真的结果 Fig. 6 Simulated results of the 3dB hybrid

Fig. 7

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图 7 电桥实测结果 Fig. 7 Measured results of the 3dB hybrid

3 利用MUSER日像仪观测太阳信号功率计算信号圆偏振度射电信号偏振度^[12]的测试是测试各通道信号相关，互相关的必备工作，偏振度的测量结果可以揭示太阳源区信号的偏振特性.由于日冕以上的太阳磁场大都只能利用射电偏振进行观测，从而进行量级估计.太阳夫琅禾费谱线的形成是太阳大气物质在不断吸收辐射又不断发出辐射的过程中在该波长处形成辐射减弱的结果.当磁场不存在时，只需用一个强度参数便可描述辐射场的不同，即必须用stokes参数进行描述.在计算信号的偏振度时，通过日像仪测量信号的左旋圆偏振功率和右旋圆偏振功率，从而求出2个功率差值和值，再将这2数值相除，即可得到信号的圆偏振度.图 8给出2015年4月13日低频天线IC1观测太阳得到的在0.4~2GHz的极化度计算值，由于MUSER-Ⅰ的频带较宽，通过将射频频率与本振频率混频，最终得到中频信号频率为50~450MHz.
Fig. 8

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图 8 IC1天线在0.4~2GHz的偏振度计算 Fig. 8 Polarization degree calculation of IC1 antenna at 0.4~2GHz

图 9给出的是2015年4月14日高频天线 HC7观测太阳信号得到的高频频段的极化度计算值，高频天线覆盖频段为2~15GHz，频率以400MHz为步长，分为33段，通过2次本振，得到中频信号频率为50~450MHz.图中所示为选取观测频段为F5,F9,F17,F29的偏振度测试值，对应的射频频率分别为3.6~4.0GHz，5.2~5.6GHz，8.4~8.8GHz，13.2~13.6GHz.由测试结果可知，射电信号的偏振度在宽频带范围内，除去部分干扰的点，其余频点的偏振度值均在±10%以内，系统输出信号的偏振度反映出系统的偏振膜色散减小了由仪器误差带来的影响^[13].
Fig. 9

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图 9 HC7天线在高频段的偏振度计算 Fig. 9 Polarization degree calculation of HC7 antenna at high frequencies

图 10给出的是观测太阳射电信号得到的偏振度与太阳本身射电信号的偏振度之间的误差随太阳本身射电信号偏振度变化而变化的曲线.可以看出，当太阳本身射电信号的偏振度在10%以内，误差先变小再增大，当横轴为10%时，误差到达最大值约为9.4%，之后，误差会随着太阳本身射电信号的偏振度变大而减小^[14].由此计算可知，当太阳本身射电信号的偏振度较大时，观测得到的极化度可以作为太阳本身射电信号偏振度值.
Fig. 10

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图 10 观测的偏振度值与实际太阳本身偏振度的误差 Fig. 10 Relationship between |Pold(obs)-Pold(sun)| and Pold (sun)

图 8—图 10分别给出低频阵和高频阵天线阵2个天线的测试结果，之后还需对所有天线的偏振度进行测试，在数据处理上还需考虑通道的不一致性，并对误差进行分析.
4 结论本文首先介绍测量太阳射电信号偏振度的重要性，并对其中用到的关键器件超宽带耦合3dB电桥进行详细的设计，仿真和实验，实现了建模方法和理论分析的验证和比较.最后介绍运用MUSER日像仪测试天线的左右旋通道得到的太阳射电流量.结果表明，从馈源输入的线偏振信号，可以经此3dB耦合器，实现日像仪系统接收左旋圆偏振信号和右旋圆偏振信号，并计算了观测得到的太阳射电信号圆偏振度与太阳本身射电信号圆偏振度误差随太阳射电信号本身圆偏振度变化曲线，其误差最大值为9.4%，满足数据分析要求，可知由观测值计算得到的极化度可作为太阳本身射电信号偏振度值.
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