射电天文台址电子设备电磁辐射评估*

刘 奇，陈卯蒸，李 颖，张群涛

(1. 中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

射电天文台址电子设备电磁辐射评估*

刘 奇1,2，陈卯蒸1,2，李 颖1，张群涛1

(1. 中国科学院新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210008)

射电望远镜具有极高的系统灵敏度，且系统内、系统间及台址内电子设备众多，电磁环境复杂，科学合理地评估台址内电子设备辐射发射对射电天文观测的影响，对系统电磁兼容性设计、无线电管理、屏蔽改造等有重要的指导意义。浅析了射电望远镜系统灵敏度及射电天文领域仪器设备辐射发射相关评估标准；基于射电望远镜系统灵敏度及观测需求，计算了南山25 m射电望远镜馈源口面干扰电平限值，并给出了天线旁瓣增益的计算方法；提出一种基于干扰电平限值、旁瓣增益、干扰测量、路径衰减的电子设备电磁辐射评估方法，并针对南山25 m射电望远镜天线驱动电磁辐射进行了评估，给出了屏蔽需求。

辐射发射；干扰电平；旁瓣增益；评估方法

我国国家军用标准GJB72-85[1]规定，电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力；它反映的是设备或系统承受电磁骚扰时能正常工作，同时又不产生超过规定限值的电磁骚扰。它是设备或系统的重要性能指标，也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素。

射电望远镜具有极高的系统灵敏度，且系统内、系统间及台址内电子设备众多。随着高频电子技术、宽带高速采样及数字处理技术的发展和应用，数字接收机、数字终端、商用设备、电气设备及台址光学观测设备的建设使台址电磁环境变得尤为复杂。射电望远镜通过天线、馈源、接收机、传输系统、数据处理终端等完成数据的接收与处理，其中天线、馈源、传输系统为系统的薄弱环节[2]，易受到外界电子设备辐射发射的干扰，影响系统的电磁兼容性；另外，射电望远镜系统内共存有天线驱动系统、换馈系统、数据处理终端、计算机网络设备、控制及监控系统及其他电气设备等，这些设备的电磁辐射发射通过天线旁瓣进入接收系统[3]，降低系统的信噪比。射频干扰 (Radio Frequency Interference, RFI)的强度和频谱密度使观测结果深受射频干扰的影响以致失去利用价值。利用单天线射电望远镜进行的观测最易受到干扰的影响，原因是积分时间提高了望远镜对天文信号的灵敏度，但也同等程度地提高了射频干扰信号的灵敏度。射频干扰不仅会影响某些观测或特定观测类型的质量，而且还限制射电天文台的总体效率，增加了观测时间和数据处理的复杂性[4]。

综上，电磁兼容性是衡量仪器设备或系统的重要性能指标，也是保障系统的工作效能和提高系统可靠性的重要因素。射电望远镜具有极高的灵敏度，而观测系统内或系统间电磁兼容问题影响系统性能，降低系统的信噪比，电子设备辐射发射影响某些观测或特定观测类型的质量，限制射电天文系统的总体效率，增加了观测时间和数据处理的复杂性。科学合理地评估射电天文仪器设备的辐射特性对于射电望远镜电磁兼容性改造及系统电磁兼容性设计具有重要的指导意义。

1 干扰电平限值计算

1.1 系统灵敏度

系统灵敏度是衡量射电望远镜探测微弱信号能力的重要指标。定义P为系统的输入功率，ΔP为射电观测系统可测量到的最小功率电平变化值，则系统灵敏度为

(1)

其中，B为带宽，单位Hz，通常B为射电望远镜接收机的工作带宽[3]；τ为积分时间，单位为s，通常根据观测模式及观测射电源的强度计算获得合适的积分时间。(1)式中ΔP和P可以通过波尔兹曼常数k=1.38×10-23Joules/k转换为温度单位：

(2)

则系统灵敏度可表示为

(3)

其中，T=TA+TR，TA为天线噪声温度；TR为接收机噪声温度，射电望远镜馈源口面干扰电平限值ΔPH定义为带宽Δf内引起可测量到的最小功率电平ΔP产生1/10误差的干扰电平，即

(4)

1.2 评估标准

国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)针对射电天文仪器设备灵敏度及不同观测模式的要求，制定了ITU-R RA.769建议书，此建议书依据射电天文分配的频谱带宽，积分时间为2 000 s，通过计算给出了射电天文连续谱观测高于13 MHz，谱线观测高于327 MHz的有害流量密度极值[3]，如图1。建议书中给出了典型射电观测接收系统灵敏度门限及最小能观测到的信号功率流量密度，单位dB(W/m2)，用于评估射电天文台址电子设备辐射发射是否超过限值要求。然而在低于3 GHz频段主要进行脉冲星和连续谱观测，ITU-R RA.769建议书并没给出脉冲星观测干扰电平限值的计算方法，脉冲星观测频段为L波段，此波段的无线电环境较差，如空间卫星、雷达测距、飞机导航、移动通信等影响脉冲星观测；另外，台址内的仪器设备众多，开关电源、电机驱动器等宽带噪声源、观测终端、网络服务器等辐射发射大幅提高环境噪声，降低了射电望远镜系统灵敏度。所以需要依据射电望远镜的实际观测需求及技术指标，给出合理的系统性能参数，对射电望远镜馈源口面干扰电平限值进行量化，以使射电望远镜电磁兼容设计、屏蔽防护、无线电管理等有据可依。

图1 ITU-R RA.769极限

Fig.1 The sensitivity limits recommended by the ITU-R RA.769

美国联邦通信委员会FCC15-10 Class A及Class B标准与国际无线电干扰委员会CISPR11& CISPR22标准给出了消费电子等辐射设备允许的最大辐射功率极限。此标准运用比较广泛，标准中给出了辐射设备给定距离的辐射发射电场强度，通常为3 m或10 m，辐射测试独立于射电天文观测系统在微波暗室中进行测试。对于台址内的电磁辐射评估，此标准并没有太大意义，这是因为是否满足标准主要取决于辐射设备离接收设备的距离。也就是说，对于大多数消费电子设备，在设计阶段要求其满足标准中的极限要求。标准中有必要确定测试设备与接收设备的距离，这样可以与ITU-R RA.769建议书中的限值进行对比，而任何给定的标准极限，只有功率流量密度或场强没有具体的测试距离是不可行的。

1.3 干扰电平阈值计算

射电望远镜馈源口面干扰电平阈值，主要考虑低于3 GHz频段，这是因为台址电子设备的辐射发射主要集中在此频段。计算给定频点的有害干扰电平的主要参数有系统噪声温度、带宽和积分时间；带宽和积分时间取决于观测模式。计算的有害干扰电平限值结果尽量与不同的观测模式相匹配，与谱线相比，连续谱和脉冲星观测带宽较宽，可适当减少积分时间。南山25 m射电望远镜接收机及观测终端技术指标见表1，表中给出的接收机系统噪声温度为最佳工作状态性能。

25 m射电望远镜馈源口面干扰电平限值按照(4)式进行计算，由于我们关心的频率在3 GHz以下，主要进行脉冲星观测和连续谱观测。连续谱观测对相对宽的总功率通带比较敏感；瞬态开关、电源线噪声、荧光灯等宽带干扰对连续谱观测产生较大的影响，因为在一个较宽的通带内总的积分功率相对较高。对于较低频率的连续谱观测，一般并没有使用长的积分时间，结合射电源背景噪声，设置可探测到的基本限值，通常积分时间为几十秒。对于脉冲星搜寻观测，可以选择总的观测时间为16 min(960 s)，假设时间精度为脉冲星周期的1%，而有效的积分时间为10 s[5]，故选择积分时间为10 s，为满足两种观测模式，观测带宽按照脉冲星观测终端带宽，干扰电平限值计算见表2。

表1 南山25 m射电望远镜接收机及观测终端

Table 1 The main performance-parameter values of the receivers and back-ends of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

接收机终端使用带宽/MHz系统温度/K终端通道带宽18cm32028500KHz13cm32070500KHzS/X300552MHz6cm642578KHz13cm645078KHz

表2 南山25 m射电望远镜馈源口面干扰电平限值

Table 2 The allowed interference limits of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

频率/MHz系统噪声/K带宽/MHz积分时间/s干扰电平限值/dBm2003002510-15684400802010-158068005010010-1566116002832010-1566030005580010-15168

1.4 天线旁瓣增益

ITU-R RA.769[6]建议书提出的射电望远镜馈源口面干扰电平限值为旁瓣增益0 dBi时的干扰电平限值，并没有考虑天线旁瓣增益的影响，实际情况下天线旁瓣增益影响较大，对于评估台址仪器设备辐射发射对射电望远镜的影响非常重要。ITU-R SA.509建议书给出了针对大口径(D/λ≥100，D为天线直径，λ为工作波长)抛物面天线的旁瓣增益模型，其中包含单干扰源进入接收系统的旁瓣模型及多干扰源进入接收系统的旁瓣模型；而对于计算实际的干扰源，如天线驱动系统有多个电机驱动模块、逻辑控制、电源模块、天线控制单元 (Antenna Control Unit, ACU)等组成，其干扰特征并不是唯一的，而是多个干扰模块共同组成，即可认为是多个干扰源进入接收系统，故可选用多干扰源进入接收系统的天线旁瓣模型：

(5)

其中，Φ为待评估仪器设备偏离射电望远镜主波束轴的角度。评估仪器设备辐射发射对射电望远镜的影响时仅考虑极坏情况，即射电望远镜主波束轴的投影与待评估仪器设备重合，仪器设备偏离射电望远镜主波束轴的夹角按照图2进行计算，图中A点表示待评估仪器设备；B点表示射电望远镜馈源口面中心；C表示射电望远镜抛物面；φ为射电望远镜俯仰角；Ld为待评估设备到射电望远镜馈源口面中心与地面投影的水平距离；H为待评估设备到射电望远镜馈源口面中心的垂直距离。

按照(6)式计算仪器设备偏离射电望远镜主波束轴的夹角Φ：

(6)

2 仪器设备辐射特性评估

2.1 测试系统

电子设备辐射特性测试系统由对称周期天线、前置放大器、频谱仪和计算机组成，测试实物图如图3。对称周期天线接收的射频信号通过前置放大器放大后进入频谱仪，通过计算机控制频谱仪，测试数据存入计算机；采用噪声源346C[7]对测试系统进行校准，数据处理后，获得测试系统噪声温度和系统增益；运用校准数据对测试数据进行处理，获得测试天线口面处的辐射功率[2]。

2.2 测试方法与数据处理

测试方法及频谱仪设置如下：

测试距离：1 m； RBW=30 KHz；

VBW=300 KHz； 积分时间：20 s；

Detector：Sample+线性平均

图2 电子设备偏离主波束轴角示意图

Fig.2 A schematic diagram illustrating the angle of the direction to an electronic device from the axis of the main beam of a radio antenna

图3 测试系统实物图. (a) 系统校准；(b) 系统测试[2]

Fig.3 Pictures of the measurement system. (a) The system when being calibrated; (b) The system in a test measurement[2]

数据处理框图如图4，基于标准噪声源运用Y因子法对测试系统进行校准，经过数据处理获得系统增益；通过计算机控制频谱仪扫频和数据采集，获得测试数据；对测试天线增益线性插值处理与测试数据对应。基于系统增益和天线增益对测试数据进行处理，获得仪器设备到达天线口面的辐射功率。

2.3 辐射特性评估

仪器设备辐射特性评估框图如图5，辐射特性测试方法及数据处理方法在2.2节已详述。基于射电望远镜技术指标，按照国际电联ITU-R RA769建议书计算方法进行计算，获得射电望远镜馈源口面干扰电平限值。

电波传播选用自由空间传播模型，但是此模型缺乏准确性，这是因为电磁波传播路径中存在建筑物、其他电子设备及地形等障碍，电磁波在传播过程中经过反射、衍射，路径衰减必定大于自由空间衰减(近距离电波传输)，而针对单一且距离射电望远镜较近的仪器设备进行初步的辐射发射评估，分析辐射发射对射电望远镜的影响，还是很有意义的。假设仪器设备距离射电望远镜馈源口面的距离为D，单位km，电磁波传播频率为f，单位MHz，则路径衰减LP为

Lp=32.4+20lgf+20lgD .

(7)

图4 数据处理框图

Fig.5 A block diagram of our evaluation of radiation levels of instruments

针对射电天文业务评估仪器设备的电磁辐射性能，需要分析其辐射发射是否对射电天文观测造成影响，即仪器设备的辐射电磁波经过路径衰减到达射电望远镜馈源口面功率低于射电望远镜馈源口面的干扰电平限值，可认为仪器辐射发射对天文观测没有影响。然而由于射电望远镜具有极高的灵敏度，对于较强的干扰源，如射电望远镜观测终端、网络设备、电机驱动器等，若这些设备离望远镜馈源口面距离较近，必然对射电天文观测业务造成影响，故这类设备需要进行评估与分析，定量地计算其屏蔽需求，依据屏蔽需求，对此类仪器设备进行屏蔽和滤波处理，以满足其辐射干扰不影响射电天文观测业务。假设仪器设备辐射发射功率为P，单位dBm，其辐射发射路径衰减为Lp，射电望远镜馈源口面干扰电平限值为Plim，单位dBm，天线旁瓣增益为G(Φ)，单位dBi，则仪器设备的屏蔽需求屏蔽效能S为

(8)

2.4 天线驱动系统辐射发射评估

天线驱动系统由4个电机驱动器和逻辑控制单元组成，电机为22 kW直流电机，电机驱动器通过脉宽调制控制电机的速度，驱动器连接电机的控制电缆与大地产生共模电流，通过控制线缆进行辐射发射和传导发射；考虑到天线驱动系统为台址主要干扰源，在南山25 m射电望远镜探月三期改造的同时，将天线驱动系统安装在天线基墩下面的地下室中，而原先天线驱动系统安装在距离天线28 m左右的观测室；按照1.4节介绍的天线增益模型，考虑极坏情况时天线方位为5°，天线主波束轴与天线驱动系统处于同一平面，馈源距离天线驱动系统垂直距离约15 m，水平距离约6 m，可计算出天线驱动系统与天线主波束轴的夹角为116.8°，从而计算出天线旁瓣增益为-8 dBi；对于天线驱动系统在观测室的情况，垂直距离约14 m，水平距离约28 m，可计算出天线旁瓣增益为-7.55 dBi；综合以上分析，天线驱动系统安装在天线基墩下面到达馈源口面的距离小于观测室到达馈源口面的距离，若仅仅考虑自由空间传播，在1 400 MHz频点处，改造后电波自由空间衰减减小了5 dB；但是对于实际情况，安装在天线以下存在水泥基墩的屏蔽作用及天线底座和支架的反射及衍射影响，初步评估认为新的位置更为理想。而后期需要进行深入的测试与评估改造后天线驱动系统对射电望远镜的影响，以确定是否需要对天线驱动系统进行屏蔽及滤波处理。

对天线驱动系统辐射发射进行了测试，测试带宽380 MHz～1 060 MHz，通过测试及数据处理获得天线驱动系统的辐射频谱，辐射频谱为图6中实线，虚线为射电望远镜馈源口面干扰电平限值，从图中可以看出，天线驱动系统辐射发射远远超过射电望远镜馈源口面干扰限值。

考虑到电波传播路径衰减，按照电波传播自由空间传播模型，天线驱动系统离射电望远镜馈源口面约16.2 m，路径衰减按照(7)式计算；另外，天线旁瓣增益为-8 dBi，按照(8)式计算天线驱动系统屏蔽需求，计算结果如图7，从图中可以看出，天线驱动系统屏蔽需求为27 dB。但对于实际工程，还需考虑天线基墩的屏蔽作用及天线结构对电波的影响，在后期的工作中需进行屏蔽效能及路径衰减测试，以更加准确地评估天线驱动系统电磁辐射对射电天文观测的影响。

图6 天线驱动系统辐射频谱与干扰电平限值

Fig.6 The measured radio spectrum (the solid curve) of the antenna drive system as compared to the allowed interference limits (the dotted curve) for the 25m radio telescope at the Nanshan Station

图7 天线驱动系统屏蔽需求

Fig.7 The required shielding-effectiveness values for the antenna drive system of the 25m radio telescope at the Nanshan Station

3 小 结

介绍了射电望远镜灵敏度计算及台址电磁辐射评估的相关标准，浅析了射电望远镜馈源口面干扰电平限值计算方法，给出了射电天文仪器设备电磁辐射评估的方法，并针对南山25 m射电望远镜天线驱动系统辐射特性进行了评估。在前期的工作中也存在一些问题，如电波传播模型缺乏准确性，电波模型的建立、仿真、测试工作需要在后期的工作中投入时间与精力；另外，射电望远镜馈源口面干扰电平限值量化有必要更加准确，以免在未来的射电望远镜电磁兼容设计、屏蔽设计中出现欠设计或过设计，相关技术的研究需要深入。

[1] 国防科学技术工业委员会. 中华人民共和国国家军用标准GJB72-85: 电磁干扰和电磁兼容性名词术语[S].1986.

[2] 刘奇, 王凯, 王洋, 等. 射电天文终端电子设备辐射特性测试[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 2014, 11(3): 218-223. Liu Qi, Wang Kai, Wang Yang, et al. Measurements of radiation characteristics of a set of electronic backend devices for radio astronomy[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(3): 218-223.

[3] RECOMMENDATION ITU-R RA.769-2. Protection criteria used for radio astronomical measurement[S]. 2003.

[4] REPORT ITU-R RA.2126. Techniques for mitigation of radio frequency interference in radio astronomy[R]. 2007.

[5] Fisher J R. RFI radiation limits in the vicinity of the GBT[EB/OL]. 1997 [2014-10-20]. http://www.cv.nrao.edu/～rfisher/Interference/gbt_limits.pdf.

[6] REPORT ITU-R SA.509-3. Space research earth station and radio astronomy reference antenna radiation pattern for use in interference calculation, including coordination procedures, for frequencies less than 30GHz[R]. 2013.

[7] Operating and service manual agilent 346A/B/C noise source[EB/OL]. Agilenttechnology.[2014-10-20]. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/00346-90148.pdf.

A Study of Evaluation of Electromagnetic Radiation Levels ofElectronic Devices Near a Radio Telescope

Liu Qi1,2, Chen Maozheng1,2, Li Ying1, Zhang Quntao1

(1. Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China, Email: liuqi@xao.ac.cn;2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

An astronomical radio telescope has extremely high system sensitivities. With increasingly amounts of digital high-speed back-ends and control modules in radio telescopes and intensifying external radio interferences for observational stations, electromagnetic environments of astronomical radio telescopes are increasingly deteriorating. Detailed evaluations of electromagnetic radiation levels of electronic devices affecting radio telescopes can provide important guidance for the electromagnetic compatibility to be considered in design and system improvement of radio telescopes. In this paper we use a simple approach to analyze system sensitivities of telescopes and the relevant assessment criteria of electromagnetic radiation levels of electronic equipments in radio astronomy. We then give a method to calculate side-lobe gains of radio antennas. We further propose a method to evaluate influences of electromagnetic radiations of telescope equipments on observations in radio astronomy. We have calculated the allowed interference limits of the 25m radio telescope at the Nanshan Station of the Xijiang Astronomical Observatory based on system sensitivities and observational requirements of the telescope. Using the calculated interference limits and the method for side-lobe gains in data processing and emission-level evaluation, we have measured the radio spectrum of radiation from the antenna drive system of the 25m telescope. The results lead to the required shielding-effectiveness values of the antenna drive system. The values can be rather helpful for designing the shielding apparatus to mitigate interferences of the antenna drive system.

Radiation emission; Interference level; Side-lobe gain; Evaluation method

国家自然科学基金 (11103056, 11473061)；国家重点基础研究发展计划 (973计划) (2015CB857100) 资助.

2014-11-02；修定日期：2014-11-24 作者简介：刘 奇，男，工程师. 研究方向：射频干扰测试、缓解及电磁兼容技术. Email: liuqi@xao.ac.cn

TN978

A

1672-7673(2015)03-0292-07