射電頻譜日像儀2 m天線設計

劉 超，牛傳峰，耿京朝，楊國棟，趙東賀

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.射電天文技術聯合實驗室，河北石家莊050081)

0 引言

射電天文學是利用射電望遠鏡系統［1］在無線電波段研究來自深空的射電波。新一代厘米－分米波射電日像儀項目的一個主要目標是研究太陽高能粒子源區的特性與輸出;確定太陽高能粒子源區的不穩定磁場位形、位置和其他等離子體參數的重構;分析導致太陽劇烈爆發活動的非穩定磁場結構特征，結合其他各波段觀測數據確定磁場結構及等離子體參數特點，探測高能粒子輸出的磁場位形，從而研究日冕磁場的動力學結構與演化。

建設新一代厘米－分米波射電日像儀將首次在該波段上實現同時以高空間、長時間和高頻率分辨率觀測太陽活動，探測日冕大氣，對于太陽物理研究具有重要作用［2］。同時，隨著我國射電天文事業的發展，寬帶、超寬帶雙極化饋源的需求越來越廣泛，在SKA項目中有較廣闊的應用前景。

1 天線介紹

射電頻譜日像儀CSRH－II期工程在2～15 GHz頻率范圍內高分辨率觀察太陽活動，其科學研究目標包括瞬時高能現象、日冕電磁場以及太陽大氣結構。

由60面口徑為2 m高頻天線組成的天線陣(2～15 GHz)是射電日像儀高頻陣II期工程的重要組成部分，天線的主要特點是:采用新型饋源能同時高效寬帶［3］接收左/右旋圓極化信號［4］;采用赤道式天線座架及高精度步進電機，具有形式簡單、可靠性高、跟蹤精度高以及跟蹤范圍大等優勢;由天線控制單元控制天線主瓣波束指向并跟蹤太陽;60套天線可由天線控制計算機同步控制，也可以由天線控制計算機單獨控制每部天線;天線系統具有自校準功能和完善的故障診斷功能。反射面天線的主要性能指標如表1所示。

表1 2m天線指標

2 天線設計

2．1 系統組成

2 m天線由饋源、天線反射面、天線座架和天線伺服控制裝置組成。饋源支撐采用對稱結構，面板采用板面形式。

天線反射面由整體實板反射面和反射面背架組裝而成，圖1是2 m天線的組成框圖。

圖1 2m天線組成框圖

天線座架由赤經支撐座架、赤經軸承座組合、赤經大齒輪、赤緯托架、赤緯軸承座組合、赤緯大齒輪、赤經驅動裝置、赤緯驅動裝置、驅動及齒輪密封箱體和配重等組成;伺服控制由天線監控計算機、天線控制器、天線驅動單元、控保電路、電源和對外接口等組成。

2．2 天線座架組成

2 m天線座架采用赤道式座架，赤經軸平行于地球自轉軸［5］，根據太陽的赤緯角調整赤緯軸(電動實時跟蹤調整赤緯角)，使天線對準太陽，然后轉動赤經軸，抵消地球的轉動，就能使天線始終對準太陽。天線座架外形圖如圖2所示。

圖2 2 m天線座架外形圖

2．3 天線反射面

2 m天線反射面采用板式前饋拋物面形式。參數如下:

反射面直徑:D=2 m;

反射面焦徑比:F/D=0．4;

饋源對反射面半照射角:ψm=64°。

2 m天線反射面由由實板反射面、反射體骨架及饋源支撐組成反射面和饋源支撐組成，反射面用1．5 mm的LY12－M鋁板整體旋壓成形，周邊打彎增強其剛度，其特點是:成型簡單、工藝性好，與骨架裝配后具有較高的剛度，一致性好。圖3是2 m天線反射面的結構示意圖。

圖3 2m天線面結構示意圖

2．4 寬頻帶饋源

寬頻帶饋源采用對數周期天線為單元，對數周期天線采用大張角設計［6］，縮短單個饋源的縱向尺寸，最大限度地減小饋源對反射面天線口徑的遮擋。寬頻帶饋源［7］設計保留標準對數周期天線的非頻變特性，即當頻率f連續變化時，天線的電特性隨著頻率的對數作周期性變化。

為了獲得對稱的方向圖，以實現對反射面的均勻照射，對于每一個工作頻率f，相同極化天線單元的有效工作區間距為0．5λ，以實現對稱的E、H波瓣寬度。同時，對于每一個工作頻率f，天線單元的有效工作區與天線地板的間距為0．16λ，確保天線的相位中心位于天線地板的中心［8］。當頻率f連續變化時，相同極化天線單元的有效工作區的間距、有效工作區與天線地板的間距的電長度保持不變，因此寬頻帶饋源［9］可以在很寬的頻率范圍內實現對稱的E、H波瓣寬度，穩定的相位中心［10］以及優良的交叉極化特性等，這是反射面天線饋源的主要技術指標要求。加工的寬帶饋源照片如圖4所示。

圖4 2－15GHz寬帶饋源照片

3 測試結果

對射電頻譜日像儀2 m天線的方向圖進行了測試，圖5、圖6 和圖7 為2 m天線在f=2 GHz、f=8 GHz、f=15 GHz的實測方向圖［11］。從測試結果中可以看出，第一副瓣電平優于－14 dB，滿足指標要求。在研制過程中創新性地解決了低損耗饋電技術、寬頻帶高性能圓極化電橋技術、饋源的寬帶匹配技術等，通過一系列措施使天線效率有了較大幅度提高。2 m反射面天線實測效率值如表2所示，可以看出全頻帶內效率值大于40%。同國外同類型天線相比，在高頻端效率有優勢。

圖5 f=2 GHz天線實測方向圖

圖6 f=8 GHz天線實測方向圖

圖7 f=15 GHz天線實測方向圖

表2 2m天線效率隨頻率變化表

4 結束語

介紹了一種采用赤道式座架的2 m極軸天線，設計了寬頻帶雙圓極化饋源，解決了若干關鍵技術問題，如寬頻帶圓極化電橋設計技術，高效率饋源技術，低損耗饋電網絡以及極軸座架形式等。測試結果表明指標滿足應用需求。

［1］ 顏毅華，張堅，陳志軍，等．關于太陽厘米—分米波段頻譜日像儀(CSRH)研究進展［J］．天文研究與技術，2006，3(2):91 －98．

［2］ YAN Y H，ZHANG J，HUANG G L．On the Chinese Spectral Radioheliograph(CSRH)Project in cm－and dmwave range［C］∥ Radio Science Conference，2004 Asia-Pacific，2004:391 －392．

［3］ 王彩華，陳曉光．一種改進的寬帶微帶天線設計［J］．無線電工程，2011，41(11):43 －45．

［4］ 劉亮，郭健．一種寬帶3 dB耦合器的設計與分析［J］．無線電工程，2013，43(6):34 －36．

［5］ 張亞林．太陽射電觀測系統的極軸天線座架設計［J］．無線電通信技術，2009，35(5):40 －43．

［6］ YANG J，CHEN X，WADEFALK N，et al．Design and Realization of a Linearly Polarized Eleven Feed for 1－10GHz［J］．IEEE Antennas Wireless Propag．Letter，2009，8:64 －68．

［7］ OLSSON R，KILDAL P S，WEINREB S．The Eleven Antenna:A compact Low-profile Decade Bandwidth Dual Polarized Feed for Reflector Antennas［J］．IEEE Trans．Antennas Propag，2006，54(2):368 －374．

［8］ YANG J，KILDAL P S．Calculation of Ring-shaped Phased Centers of Feeds for Ring-focus Paraboloids［J］．IEEE Trans．Antennas Propag，2000，48(4):524 －528．

［9］ AGHDAM K M P，FARAJIDANA REZA，JALIL R M ．The Sinuous Antenna-a Dual Polarized Feed for Reflectorbased Searching Systems［J］．AEUE-International Journal of Electronics and Communications，2005，59(7):392－400．

［10］張志華，陳輝，秦順友，等．饋源喇叭相位中心測量及誤差分析［J］．無線電通信技術，2011，37(5):28 －30．

［11］ JOHNNSON R C．Antenna Engineering Handbook［M］．USA:McGraw-Hill，inc，1984．