深空网高频接收系统方案设计：低温接收组件设计

组成及工作原理

DSF1通过射频前端制冷获得极低等效噪声温度。根据总体设计方案，发阻滤波器分为两段，前级为波导腔体滤波器，后级采用超导滤波器与低温低噪声放大器一体化设计，通过真空室密封形成低温接收组件，在制冷机二级冷头的作用下深度冷却，从而大大降低系统噪声，提高接收机的灵敏度。

S/X频段低温接收组件由低温LNA组件、常温LNA组件和监测机组成。低温LNA组件又由微波单元（包括隔热馈线、超导滤波器和低温LNA）、制冷单元以及真空室（杜瓦瓶）等组成，如图4-16所示。

微波单元

微波单元是低温接收机组件的核心部分，实现对微弱微波接收信号的低噪声放大，并抑制发频和带外谐波杂波信号的干扰。

微波单元主要由输入传输线装置（含真空窗、隔热馈线、低温同轴电缆线）、超导滤波器、定向耦合器、低温LNA（含低温隔离器）等安装在制冷机制冷后的真空室内（杜瓦瓶中），通过制冷获得极低的工作温度，常温LNA和滤波器都固定于杜瓦外壁上。

图4-16　S/X频段低温接收组件原理框图

输入传输线装置是微波接收信号进入低温放大器的通道，又是杜瓦外常温（300K）环境到杜瓦内低温（20K）器件的过渡单元，因此要求其损耗极小并具有隔热、真空密封功能。

S频段微波组件

微波部分由超导滤波器、超导陷波器、低温LNA、常温LNA、定向耦合器、隔离器等元器件，以及输入传输线组件和连接同轴电缆组成，如图4-17所示。

图4-17　S频段微波组件组成原理图

微波信号由探针耦合到高热阻金属薄壁同轴线，然后通过SMA输送到超导滤波器，这种结构不需要波导同轴转换，对降低噪声有利；在探针外采用石英罩密封以维持杜瓦内真空度。LNA包括前级和后级，前级为低温LNA增益30dB，置于二级冷头和冷板；后级为常温LNA增益25dB，置于杜瓦内的一个分割区域以实现恒温，避免环境温度变化所造成的接收组件指标的温漂，有利于提高接收组件的性能稳定性。

X频段微波组件

微波部分由超导滤波器、定向耦合器、低温LNA、常温LNA、常温滤波器、隔离器等元器件以及输入传输线组件和连接同轴电缆组成，如图4-18所示。

图4-18　X频段微波组件组成原理图

同样的，LNA包括前级和后级，前级为低温LNA增益30dB，置于二级冷头和冷板；后级为常温LNA增益25dB，置于杜瓦内的一个分割区域以实现恒温，避免环境温度变化所造成的接收组件指标的温漂，有利于提高接收组件的性能稳定性。

制冷单元

制冷单元是实现LNA20K低温环境的关键，主要由氦压缩机、膨胀机、杜瓦和监测机等组成。制冷单元组成原理如图4-19所示。

图4-19　制冷单元组成及原理

制冷单元的主要功能：

提供低温接收组件所需的低温冷源；
提供接收机杜瓦的真空获得设备；
提供冷源温度的测量设备（有RS-232通信接口）；
提供杜瓦的真空度测量设备（有RS-232通信接口）。

根据制冷单元的功能，其构成可分为以下四部分：

低温制冷：具体包括膨胀机、氦压缩机、金属软管3个部件（用水冷氦压缩机时还有一个冷却循环水机部件）；
真空获得：具体包括机械真空泵、连接软管2个部件；
温度测量：具体包括测温仪、温度传感器、测量引线3个部件；
真空测量：具体包括真空计、电阻规、电离规3个部件。

低温接收组件所需的20K以下低温环境由双级闭循环GM制冷机提供。

双级低温制冷机的一级无负载制冷温度可以达到77K以下，二级无负载制冷温度可以达到10K以下。它由膨胀机（即通常所说的冷头）、氦压缩机和连接软管三部分组成。膨胀机可全方位安装，工作时所需的220V电源由压缩机电气部分供给；压缩机需安置在水平倾角不大于5°的地面或平台上，工作时需要有380V工业电源和4~28℃的冷却水；连接软管具有一定的柔性，可在一定范围内弯曲使用。膨胀机与杜瓦及微波器件构成接收组件的主体，安装在机柜上（如图4-20所示）。机柜的高度依据馈源下前级波导滤波器出口的离地高度来确定，并具有±50mm的调节量，以保证接收组件波导入口能与前级波导滤波器精确对接。

低温组件（超导滤波器和LNA）由膨胀机的二级冷头通过固体传导冷却至20K以下，其与室温部件间的连接管线由膨胀机的一级冷头通过固体传导预冷，以减少二级冷头的热负载。低温组件通过低导热支撑部件和高真空环境与外界隔热。

真空环境由真空杜瓦来保持。杜瓦采用金属钢板经过特殊表面处理制作而成，可以维持高真空环境，防止气体对流导热造成低温下工作的LNA和超导滤波器升温。杜瓦内的初始真空由机械真空泵来获得，当制冷机的温度降至20K以下时，杜瓦内腔将能获得和保持高真空状态。