平方公里阵列中的天线新技术

2020-11-16 来源:互联网作者:伍洋,刘胜文,杜彪,金乘进 我要评论(0) 字号:

伍洋1,2刘胜文1杜彪1,2金乘进2
(中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄050081)1
(中国科学院射电天文重点实验室,北京100012)2

摘 要:平方公里阵(SKA)将是世界上最大的综合孔径射电望远镜, 致力于回答宇宙起源等基本问题。作为新一代的世界级射电望远镜,SKA 计划引入包括整体成型面板、相控阵馈源、超宽带单波束馈源、孔径阵列在内的多项先进的天线技术以增强望远镜的观测能力。文章对SKA 中的天线新技术进行了介绍。

关键词:射电望远镜天线,平方公里阵,整体成型面板,多波束,超宽带

1、引言

平方公里阵SKA (Square Kilometre Array)将是世界上最大的综合孔径射电望远镜[1]。其接收面积达一平方公里, 频率覆盖70 MHz–20 GHz,比目前最大的厘米波综合孔径射电望远镜JVLA (Jansky Very Large Array)的灵敏度提高50 倍、搜寻速度提高10000 倍。SKA 致力于回答人类认识宇宙的一些基本问题,特别是第一代天体形成、星系演化、宇宙磁场、引力的本质、地外生命与地外文明、暗物质和暗能量等[2],其科学目标和技术指标均具有国际领先性。2013 年,SKA 发布了系统基线设计[3],宣告SKA 进入了建设准备阶段。

图1、SKA 效果图

天线是射电望远镜的关键组成部分,其性能和形式对于望远镜的观测能力有着决定性的影响。根据基线规划,SKA 将在分阶段南非和澳大利亚兴建反射面天线阵列、低频孔径阵列和中频孔径阵列,并计划使用相控阵馈源、超宽带单波束馈源等多项先进技术以提高其观测能力。文章对SKA 中的天线新技术进行了介绍。

2、反射面天线

中频反射面天线阵列将由分布在3000km 的范围内的约3000 面天线组成,其频段覆盖最宽、灵敏度和分辨率最高,对于SKA 科学目标至关重要。中频反射面天线单元不仅要求性能优异,考虑到阵列分布地域广、单元数量多,且要在短短数年内完成生产、运输、安装和调试,因此还必须满足低成本、批量生产和快速安装的要求。为此,提出了反射面整体成型技术。

反射面整体成型技术使得整个反射面仅由一块面板构成,其最大的好处在于反射面不需要拼装,也不用调整面形精度,节约了天线安装和调整的时间,同时消除了面板缝隙的影响,提高了天线的灵敏度。其难点在于,要求面板的制造精度很高,且面形精度随俯仰角的变化不能过大,这就对反射体的结构设计和加工工艺提出了极高的要求。目前,采用整体成型面板的反射体方案主要有边缘支撑[4]和桁架支撑两种方案。

如图2 所示,边缘支撑的反射体方案采用碳纤维复合材料主面,在主面边缘用钢材料背架进行多点支撑,同时在主面中心采用半适应结构支撑。副面和副面支撑均采用碳纤维复合材料制造。这一方案在加拿大制造的天线样机DVA-1 中得到了应用,其结构形式简洁,背架部分易于加工,但反射面边缘与中心之间的部分缺乏支撑,面形精度易受到重力影响,随天线仰角的变化较大。

图2、采用边缘支撑整体成型面板的天线反射体

中国的天线样机DVA-C 采用了桁架支撑反射体,该方案结合了整体成型反射面的先进理念与钢桁架支撑的成熟技术,如图3 所示。该方案的反射面采用2mm 厚的碳纤维复合材料整体成型,反射面背面布有泡沫三明治结构的加强筋。反射面与加强筋通过胶结连接,能够有效提高反射面的精度。主副反射面之间采用钢结构背架连接。

图3、采用桁架支撑整体成型面板的天线反射体

3、相控阵馈源

相控阵馈源(Phased Array Feed)是放置在反射面天线焦平面附近、作为多波束馈源使用的小型相控阵天线[5]。将PAF 作为大口径天线的主焦馈源研究始于上世纪末,与传统的多喇叭馈源组相比,相控阵馈源具有如下优点:

(1)快速巡天。同时提供数量更多、相互交叠、且性能更为相近的波束,有效提高射电望远镜的巡天速度。

(2)改善照明。通过适当的激励, 提高望远镜口径效率,同时抑制远旁瓣,降低环境引起的噪声温度,提高射电望远镜的灵敏度。

(3)此外,相控阵馈源还有助于避免电磁干扰[5]及补偿反射面变形[6]

鉴于上述优点,相控阵馈源成为包括SKA 在内的新一代射电望远镜的代表技术之一。图4 和图5 给出了目前SKA 相控阵馈源的两个备选方案[7,8]

图4、澳大利亚研制的相控阵馈源

图5、加拿大研制的相控阵馈源

4、超宽带单波束馈源

射电天文望远镜所用宽带馈源频率一般覆盖一个倍频程,近来的研究表明,反射面馈源有可能工作在更宽的频带内。SKA 反射面天线阵列计划覆盖350MHz-20GHz 的频带,超宽带单波束馈源的使用将使得这些天线能够在超宽频带内进行观测,提高天线的灵敏度。此外宽带高性能馈源接收机可减少接收机数目,降低工程建设和将来运行维护难度。

目前SKA 超宽带单波束馈源的主流方案有Eleven 馈源[9]和四脊喇叭(Quad-Ridge Flared Horn)[10]两种。Eleven 馈源利用两对倾斜放置的对数周期天线实现双极化的宽带辐射,并借助金属反射板将天线的相位中心稳定在馈电点附近(图6)。Eleven 馈源的特点是方向图和相位中心随频率变化较小,且高度较低。但其馈电比较复杂,插入损耗大,引入的噪声较多。

图6、为SKA 研发的Eleven 馈源

四脊喇叭利用脊波导截止波长较长的特性,以逐渐张开的四脊波导实现能量的双极化宽频带定向辐射。其特点是馈电容易,插入损耗较小。但四脊喇叭属于口径天线,因此方向图和相位中心随频率有一定变化。

图6、为SKA 研发的四脊喇叭馈源

5、孔径阵列

SKA 规划建设低频和中频两个孔径阵列[11,12],其中低频孔径阵列(图7)由数十万个对数周期天线组成,稀疏分布在200km 的范围内,频率覆盖50~350 MHz。中频致密孔径阵列由250 个的Vivaldi 阵列天线组成,每个阵列天线直径约为60m,频率覆盖400~1400 MHz,分布范围与低频孔径阵列相当。

图7a、SKA 低频孔径阵列效果图

图7b、SKA 中频孔径阵列效果图

由于单个阵元的波束很宽,孔径阵列几乎可以提供全空域视场,这为巡天提供了极大的便利。而巨大的阵元数量也给数据传输和处理带来了挑战,尤其是中频致密孔径阵列,每个60m 的阵列天线都包含着数万个Vivaldi 天线。此外,孔径阵列的功耗对SKA 的运行成本也有着重要的影响。

6、结论

作为新一代的射电望远镜,SKA 项目引入了多种先进的天线设计理念和制造技术,而这些技术的成功研发和应用,也将极大推动天线技术的发展。

参考文献

[1] Dewdney P, Hall P, Schilizzi R, et al. The Square Kilometre Array. Proc IEEE, 2009, 97(8): 1482-1496.
[2] 彭勃, 金乘进, 杜彪, 等. 持续参与世界最大综合孔径望远镜SKA 国际合作. 中国科学G 辑, 2012, 42: 1292–1307.
[3] Dewdney P. SKA1 System Baseline Design. Square Kilometre Array Organization. 2013.
[4] Imbriale W, Cortes-Medellin G, Baker L. Update on the SKA offset optics design for the U.S. technology development project. In: IEEE Conference on Aerospace. 2011. 1-10.
[5] Hansen C, Warnick K, Jeffs B. Interference cancellation using an array feed design for radio telescopes. In: Proc IEEE Antennas Propag Society Int Symp Conf, 2004. 539–542.
[6] Rahmat-Samii Y. Array feeds for reflector surface distortion compensation: concepts and implementation. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1990: 20-26.
[7] Hampson G, Macleod A, Beresford R, et al. ASKAP PAF ADE - advancing an L-band PAF design towards SKA. In: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications. Jonesburg, 2012. 807-809.
[8] Veidt B, Hovey G, Burgess T, et al. Demonstration of a dual-polarized phased-array feed. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(6): 2047-2057.
[9] Yang J. Preliminary design of Eleven Feed for SKA Band 1. In: 31th URSI General Assembly and Scientific Symposium. Beijing: 2014.
[10] Akgiray A, Weinreb S, Imbriale W A. The quadruple-ridged flared horn: A flexible, multi-octave reflector feed spanning f/0,3 to f/2.5. In: 7th European Conference on Antenna and Propagation. Sweden, 2013. 768-769.
[11] de Lera Acedo E, Ghods N, Scott P, et. al. SKA AA-low front-end developments (At Cambridge University). In: The 6th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Prague, Czech Republic, 2012. 616 – 620.
[12] van Ardenne A, Bregman J, van Cappellen W, et al. Extending the Field of View With Phased Array Techniques: Results of European SKA Research. Proc IEEE, 2009, 97 (8): 1531-1542.
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