平方公里陣列中的天線新技術(shù)

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:平方公里陣(SKA)將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡, 致力于回答宇宙起源等基本問題。作為新一代的世界級射電望遠(yuǎn)鏡,SKA 計劃引入包括整體成型面板、相控陣饋源、超寬帶單波束饋源、孔徑陣列在內(nèi)的多項先進(jìn)的天線技術(shù)以增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡的觀測能力。文章對SKA 中的天線新技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1 引言

平方公里陣SKA (Square Kilometre Array)將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡[1]。其接收面積達(dá)一平方公里, 頻率覆蓋70 MHz–20 GHz,比目前最大的厘米波綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡JVLA (JanskyVeryLarge Array)的靈敏度提高50 倍、搜尋速度提高10000 倍。SKA 致力于回答人類認(rèn)識宇宙的一些基本問題,特別是第一代天體形成、星系演化、宇宙磁場、引力的本質(zhì)、地外生命與地外文明、暗物質(zhì)和暗能量等[2],其科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)均具有國際領(lǐng)先性。2013年,SKA 發(fā)布了系統(tǒng)基線設(shè)計[3],宣告SKA 進(jìn)入了建設(shè)準(zhǔn)備階段。

圖1 SKA 效果圖

天線是射電望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵組成部分,其性能和形式對于望遠(yuǎn)鏡的觀測能力有著決定性的影響。根據(jù)基線規(guī)劃,SKA 將在分階段南非和澳大利亞興建反射面天線陣列、低頻孔徑陣列和中頻孔徑陣列,并計劃使用相控陣饋源、超寬帶單波束饋源等多項先進(jìn)技術(shù)以提高其觀測能力。文章對SKA 中的天線新技術(shù)進(jìn)行了介紹。

2 反射面天線

中頻反射面天線陣列將由分布在3000km 的范圍內(nèi)的約3000 面天線組成,其頻段覆蓋最寬、靈敏度和分辨率最高,對于SKA 科學(xué)目標(biāo)至關(guān)重要。中頻反射面天線單元不僅要求性能優(yōu)異,考慮到陣列分布地域廣、單元數(shù)量多,且要在短短數(shù)年內(nèi)完成生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和調(diào)試,因此還必須滿足低成本、批量生產(chǎn)和快速安裝的要求。為此,提出了反射面整體成型技術(shù)。

反射面整體成型技術(shù)使得整個反射面僅由一塊面板構(gòu)成,其最大的好處在于反射面不需要拼裝,也不用調(diào)整面形精度,節(jié)約了天線安裝和調(diào)整的時間,同時消除了面板縫隙的影響,提高了天線的靈敏度。其難點在于,要求面板的制造精度很高,且面形精度隨俯仰角的變化不能過大,這就對反射體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝提出了極高的要求。目前,采用整體成型面板的反射體方案主要有邊緣支撐[4]和桁架支撐兩種方案。

如圖2 所示,邊緣支撐的反射體方案采用碳纖維復(fù)合材料主面,在主面邊緣用鋼材料背架進(jìn)行多點支撐,同時在主面中心采用半適應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。副面和副面支撐均采用碳纖維復(fù)合材料制造。這一方案在加拿大制造的天線樣機(jī)DVA-1 中得到了應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)形式簡潔,背架部分易于加工,但反射面邊緣與中心之間的部分缺乏支撐,面形精度易受到重力影響,隨天線仰角的變化較大。

圖2 采用邊緣支撐整體成型面板的天線反射體

中國的天線樣機(jī)DVA-C 采用了桁架支撐反射體,該方案結(jié)合了整體成型反射面的先進(jìn)理念與鋼桁架支撐的成熟技術(shù),如圖3 所示。該方案的反射面采用2mm 厚的碳纖維復(fù)合材料整體成型,反射面背面布有泡沫三明治結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋。反射面與加強(qiáng)筋通過膠結(jié)連接,能夠有效提高反射面的精度。主副反射面之間采用鋼結(jié)構(gòu)背架連接。

圖3 采用桁架支撐整體成型面板的天線反射體

3 相控陣饋源

相控陣饋源(Phased Array Feed)是放置在反射面天線焦平面附近、作為多波束饋源使用的小型相控陣天線[5]. 將PAF 作為大口徑天線的主焦饋源研究始于上世紀(jì)末,與傳統(tǒng)的多喇叭饋源組相比,相控陣饋源具有如下優(yōu)點:

(1)快速巡天。同時提供數(shù)量更多、相互交疊、且性能更為相近的波束,有效提高射電望遠(yuǎn)鏡的巡天速度。

(2)改善照明。通過適當(dāng)?shù)募?/span>, 提高望遠(yuǎn)鏡口徑效率,同時抑制遠(yuǎn)旁瓣,降低環(huán)境引起的噪聲溫度,提高射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。

(3)此外,相控陣饋源還有助于避免電磁干擾[5]及補(bǔ)償反射面變形[6]。

鑒于上述優(yōu)點,相控陣饋源成為包括SKA 在內(nèi)的新一代射電望遠(yuǎn)鏡的代表技術(shù)之一。圖4 和圖5 給出了目前SKA 相控陣饋源的兩個備選方案[7,8]

圖4 澳大利亞研制的相控陣饋源

圖5 加拿大研制的相控陣饋源

4 超寬帶單波束饋源

射電天文望遠(yuǎn)鏡所用寬帶饋源頻率一般覆蓋一個倍頻程,近來的研究表明,反射面饋源有可能工作在更寬的頻帶內(nèi)。SKA 反射面天線陣列計劃覆蓋350MHz-20GHz 的頻帶,超寬帶單波束饋源的使用將使得這些天線能夠在超寬頻帶內(nèi)進(jìn)行觀測,提高天線的靈敏度。此外寬帶高性能饋源接收機(jī)可減少接收機(jī)數(shù)目,降低工程建設(shè)和將來運(yùn)行維護(hù)難度。

目前SKA 超寬帶單波束饋源的主流方案有Eleven 饋源[9]和四脊喇叭(Quad-Ridge Flared Horn)[10]兩種。Eleven 饋源利用兩對傾斜放置的對數(shù)周期天線實現(xiàn)雙極化的寬帶輻射,并借助金屬反射板將天線的相位中心穩(wěn)定在饋電點附近(圖6)。Eleven 饋源的特點是方向圖和相位中心隨頻率變化較小,且高度較低。但其饋電比較復(fù)雜,插入損耗大,引入的噪聲較多。

圖6 為SKA 研發(fā)的Eleven饋源

四脊喇叭利用脊波導(dǎo)截止波長較長的特性,以逐漸張開的四脊波導(dǎo)實現(xiàn)能量的雙極化寬頻帶定向輻射。其特點是饋電容易,插入損耗較小。但四脊喇叭屬于口徑天線,因此方向圖和相位中心隨頻率有一定變化。

圖7為SKA 研發(fā)的四脊喇叭饋源

5 孔徑陣列

SKA 規(guī)劃建設(shè)低頻和中頻兩個孔徑陣列[11,12],其中低頻孔徑陣列(圖8)由數(shù)十萬個對數(shù)周期天線組成,稀疏分布在200km 的范圍內(nèi),頻率覆蓋50~350 MHz 。中頻致密孔徑陣列由250 個的Vivaldi 陣列天線組成,每個陣列天線直徑約為60m,頻率覆蓋400~1400 MHz,分布范圍與低頻孔徑陣列相當(dāng)。

圖8 SKA 低頻孔徑陣列效果圖

圖9 SKA 中頻孔徑陣列效果圖

由于單個陣元的波束很寬,孔徑陣列幾乎可以提供全空域視場,這為巡天提供了極大的便利。而巨大的陣元數(shù)量也給數(shù)據(jù)傳輸和處理帶來了挑戰(zhàn),尤其是中頻致密孔徑陣列,每個60m 的陣列天線都包含著數(shù)萬個Vivaldi 天線。此外,孔徑陣列的功耗對SKA 的運(yùn)行成本也有著重要的影響。

6 結(jié)論

作為新一代的射電望遠(yuǎn)鏡,SKA 項目引入了多種先進(jìn)的天線設(shè)計理念和制造技術(shù),而這些技術(shù)的成功研發(fā)和應(yīng)用,也將極大推動天線技術(shù)的發(fā)展。

作者:伍洋劉勝文杜彪金乘進(jìn)(中電54所,中國科學(xué)院射電天文重點實驗室)

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