平方公里陣列中的天線新技術

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:平方公里陣(SKA)將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡, 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、孔徑陣列在內的多項先進的天線技術以增強望遠鏡的觀測能力。文章對SKA 中的天線新技術進行了介紹。

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鏡[1]。其接收面積達一平方公里, 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、地外生命與地外文明、暗物質和暗能量等[2],其科學目標和技術指標均具有國際領先性。2013年,SKA 發(fā)布了系統基線設計[3],宣告SKA 進入了建設準備階段。

圖1 SKA 效果圖

天線是射電望遠鏡的關鍵組成部分,其性能和形式對于望遠鏡的觀測能力有著決定性的影響。根據基線規(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技術以提高其觀測能力。文章對SKA 中的天線新技術進行了介紹。

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 科學目標至關重要。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、單元數量多,且要在短短數年內完成生產、運輸、安裝和調試,因此還必須滿足低成本、批量生產和快速安裝的要求。為此,提出了反射面整體成型技術。

反射面整體成型技術使得整個反射面僅由一塊面板構成,其最大的好處在于反射面不需要拼裝,也不用調整面形精度,節(jié)約了天線安裝和調整的時間,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,這就對反射體的結構設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合材料主面,在主面邊緣用鋼材料背架進行多點支撐,同時在主面中心采用半適應結構支撐。副面和副面支撐均采用碳纖維復合材料制造。這一方案在加拿大制造的天線樣機DVA-1 中得到了應用,其結構形式簡潔,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DVA-C 采用了桁架支撐反射體,該方案結合了整體成型反射面的先進理念與鋼桁架支撐的成熟技術,如圖3 所示。該方案的反射面采用2mm 厚的碳纖維復合材料整體成型,反射面背面布有泡沫三明治結構的加強筋。反射面與加強筋通過膠結連接,能夠有效提高反射面的精度。主副反射面之間采用鋼結構背架連接。

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末,與傳統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,有效提高射電望遠鏡的巡天速度。

(2)改善照明。通過適當的激勵, 提高望遠鏡口徑效率,同時抑制遠旁瓣,降低環(huán)境引起的噪聲溫度,提高射電望遠鏡的靈敏度。

(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 在內的新一代射電望遠鏡的代表技術之一。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。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進行觀測,提高天線的靈敏度。此外寬帶高性能饋源接收機可減少接收機數目,降低工程建設和將來運行維護難度。

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周期天線實現雙極化的寬帶輻射,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截止波長較長的特性,以逐漸張開的四脊波導實現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)由數十萬個對數周期天線組成,稀疏分布在200km 的范圍內,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。