平方公里陣天線新技術綜述

伍洋　杜彪　金乘進　彭勃

(1.射電天文技術聯合實驗室,北京 100012;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081;3.中國科學院國家天文臺,北京100012)

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平方公里陣天線新技術綜述

伍洋1,2,3杜彪1,2金乘進1,3彭勃1,3

(1.射電天文技術聯合實驗室,北京 100012;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,石家莊 050081;3.中國科學院國家天文臺,北京100012)

摘要天線是射電望遠鏡系統關鍵組成部分, 其性能對于望遠鏡的觀測能力有著決定性的影響. 數十年來, 射電望遠鏡天線技術不斷發展, 在有效接收面積、觀測帶寬和視場等各個方面取得了巨大進步， 并推動了新的科學發現. 文章對射電天文領域出現的多項先進的天線技術, 包括整體成型面板、相控陣饋源、超寬帶單波束饋源和孔徑陣列等進行了詳細的介紹. 作為國際上正在積極推進的平方公里陣(Square Kilometre Array, SKA)的關鍵技術, 這些技術已經取得了重要突破, 其他領域的天線也可有所借鑒.

關鍵詞射電望遠鏡;天線;多波束;超寬帶;孔徑陣列

引言

射電天文學是天文學的一個分支,通過接收和處理來自天體的無線電信號,研究宇宙現象, 探索自然奧秘. 20世紀30年代,Jansky發現了來自銀河系的無線電波,標志著人類打開了傳統光學以外觀測天體的新窗口. 80余年來, 射電天文學蓬勃發展,產生了類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射等一系列重大的天文發現, 在微波頻段進行天文觀測已由當初的偶然發現,發展成為天文研究的重要途徑.

天線是射電望遠鏡的關鍵組成部分,其性能對于望遠鏡的觀測能力有著決定性的影響. 對射電望遠鏡而言,靈敏度S,即望遠鏡的有效接收面積Ae與系統溫度Tsys的比值是最主要的技術指標.

射電天文觀測中,一般通過天線溫度的升高來檢測射電源的存在. 望遠鏡系統的最小可檢測流量ΔS可表示為[1]

(1)

式中:k為玻爾茲曼常數; B和t分別為觀測的帶寬和積分時間. 由式(1)可以看出,射電望遠鏡的有效接收面積Ae越大、系統溫度Tsys越低、觀測帶寬B越寬、積分時間t越長,其最小可檢測流量ΔS越小,射電望遠鏡越靈敏. 此外,通過增加望遠鏡波束的數量,能夠有效擴大射電望遠鏡的視場,提高觀測效率.

近年來,得益于科技的進步,射電望遠鏡天線技術不斷發展,在有效接收面積、觀測帶寬和波束數量等與射電望遠鏡觀測能力相關的各個方向均取得了很大進步,促進了望遠鏡的升級換代,并推動了新的科學發現. 平方公里陣(Square Kilometre Array, SKA)[2]作為下一代米波至厘米波段射電望遠鏡,將建設低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列和中頻反射面天線陣列三種接收天線陣列,接收面積達到一平方千米量級,頻率覆蓋70 MHz～20 GHz. 根據規劃,每臺SKA反射面天線將配備5個單波束饋源以獲得高的單波束靈敏度,或3個相控陣饋源以獲得大視場觀測能力,而低頻和中頻孔徑陣列均具備多波束觀測能力,從而使SKA在靈敏度和巡天效率方面和現有射電望遠鏡相比有大幅提高.

本文介紹了在SKA項目推動下,天線技術在整體成型反射面、相控陣饋源、超寬帶單波束饋源和孔徑陣列等方面的新進展.

1整體成型面板

提高射電望遠鏡靈敏度的方式有兩個途徑:降低系統溫度和增大有效接收面積. 現今,射電望遠鏡在分米、厘米波段已普遍采用制冷方式降低系統溫度,并已接近物理極限. 因此增大有效接收面積成為了現階段提高靈敏度的主要方式.

目前,全可動射電望遠鏡天線的口徑已達到了100 m,接近地面工程極限. 大口徑的全可動射電望遠鏡造價高昂,且可實現口徑有限,因此天線組陣是增大望遠鏡接收面積的必然選擇. 20世紀70年代Ryle發明了綜合孔徑技術后,伴隨著電子與信息技術的快速發展,電子器件的成本大幅下降,考慮到反射面天線的造價與天線口徑的高次方成正比,由中小口徑反射面天線組成的綜合孔徑射電望遠鏡日漸流行.

中小口徑的反射面天線陣列不僅單位面積造價低,可靠性高,還能使射電望遠鏡突破天線口徑的限制,實現更高的靈敏度和分辨率.中小口徑的反射面天線單元的結構設計相對簡單,但考慮到SKA反射面天線陣列單元數量多,且要在有限時間內完成生產、運輸、安裝和調試,因此必須滿足低成本、批量生產、便于運輸和快速安裝的要求.為此,反射面整體成型技術應運而生.

通過反射面整體成型技術,整個反射面可僅由一塊面板構成,其最大的好處在于反射面不需要拼裝和調整面形精度,節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,為滿足天線在高頻段的口徑效率,要求面板的制造精度高,且面形精度隨俯仰角的變化不大,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和桁架支撐兩種方案.

邊緣支撐反射體方案在反射面邊緣用鋼材料背架進行多點支撐,同時在反射面中心采用半適應結構支撐. 該技術已在ATA (Allen Telescope Array)項目中得到了應用[3]. ATA反射面天線單元的主面直徑為6 m,采用了液壓整體成形的鋁面板,面型精度達到1 mm. 但對于更大口徑的反射面制造,如SKA項目要求的18 m×15 m的主反射面,碳纖維復合材料更為適合. 加拿大NRC(National Research Council)為SKA研制的天線樣機DVA-1[4](Dish Verification Antenna-1)采用了類似方案(圖1).

圖1　采用邊緣支撐整體成型面板的DVA-1反射體

如圖1所示,該反射體結構形式簡潔,背架部分易于加工,但反射面邊緣與中心之間的部分缺少支撐,面形精度易受重力的影響.

桁架支撐反射體方案,結合了整體成型反射面的先進理念與桁架支撐的成熟技術. 圖2給出了中國為SKA項目研制的首部天線樣機DVA-C (Dish Verification Antenna-China)[5]采用的桁架支撐反射體的示意圖. DVA-C的反射面采用2 mm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. 該方案結構相對復雜,但更容易保證面形精度.

圖2　采用桁架支撐整體成型面板的DVA-C反射體

整體成型面板技術的提出是反射面天線設計理念的進步,高精度、大尺度反射面的制造對結構設計和加工工藝提出了挑戰,目前針對SKA的碳纖維復合材料整體成型面板精度可達到1 mm r.m.s.以內,能夠滿足天線工作于10 GHz,但距SKA面形精度優于0.5 mm r.m.s.、工作于20 GHz的要求尚有一定差距. 其最終所能達到的面形精度將制約射電望遠鏡未來向更高頻段的發展. 此外,碳纖維復合材料能否在數十年的時間里保持面形精度不變,尚有待驗證.

2相控陣饋源

射電望遠鏡需要對全空域進行觀測,對于波束極窄的射電望遠鏡,完成一次巡天需要很長時間. 增加波束數量是擴大射電望遠鏡視場、提高巡天速度的最直接的途徑. 以往射電望遠鏡主要通過增加饋源數量的方式實現多波束[6-7]. 這一方案的主要缺點在于:各饋源的相位中心受饋源尺寸的限制相距較遠,導致波束間隔較大,無法實現連續的天區覆蓋. 同時,偏離焦點的焦面場與饋源口面場失配,引起偏軸波束性能下降,限制了天線的波束數量. 而新興的相控陣饋源[8]可以較好地解決這些問題.

針對射電天文應用的相控陣饋源(Phased Array Feed)技術研究始于20世紀末．該技術以放置在反射面天線焦平面附近的小型相控陣天線作為多波束饋源,其與多喇叭饋源的主要區別在于:

1) 以多個陣元代替單個喇叭照射反射面,陣元數量與天線波束數量無必然聯系;

2) 陣元復用,每個陣元的輸出信號被用于多個波束的合成.

圖3給出了相控陣饋源的工作原理框圖:射電信號經反射面反射,匯聚于焦點附近,由位于焦平面的饋源陣列接收,再經低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)放大、后續放大(可變頻)及采樣后送入數字波束合成網絡,賦權合成后輸出.

圖3　相控陣饋源工作原理框圖

與傳統的多波束饋源相比,相控陣饋源主要具有以下優點:

1) 快速巡天. 相控陣饋源能夠同時提供數量更多、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. 通過適當的賦權合成,提高天線的口徑效率,同時抑制遠旁瓣,降低漏失引起的噪聲溫度,提高射電望遠鏡的靈敏度.

此外,相控陣饋源還有消除電磁干擾、補償反射面變形及減小望遠鏡結構擾動影響[9-11]的功能,因此成為包括SKA在內的新一代射電望遠鏡的代表技術之一. 目前,國際上主要有荷蘭ASTRON (Netherlands Foundation for Research in Astronomy)、美國NRAO/BYU (National Radio Astronomy Observatory/Brigham Young University、澳大利亞CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)和加拿大的NRC等機構在進行相控陣饋源技術研究[12-15]. 此外,我國也正以500 m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)為對象,開展相關研究工作[11]. 圖4和表1分別給出了國外四種相控陣饋源的照片和技術指標.

(a) 荷蘭APERTIF　　(b) 美國GBT PAF

(c) 澳大利亞ASKAP　 (d) 加拿大AFAD圖4　相控陣饋源樣機

技術指標ASKAPAPERTIFAFADGBTPAF工作頻率/GHz0.7～1.81.0～1.750.7～1.51.3～1.8陣元形式ConnectedDipoleVivaldiVivaldiThickDipole陣列規模9×10×28×7×24119×2波束數量3637-7瞬時帶寬/MHz300300500窄帶系統噪聲/K50705035

由表1可看出,相控陣饋源主要工作在分米波段,研究方向主要有兩個:寬頻帶和低噪聲. 除NRAO/BYU為GBT(Green Bank Telescope)研制的相控陣饋源外,其它三部樣機的應用均瞄準中小孔徑天線陣列,工作帶寬接近或超過一個倍頻程,瞬時帶寬達到幾百兆赫茲,波束數量幾十個,由于采用常溫LNA,其系統溫度較高,影響了望遠鏡單波束的靈敏度以及巡天速度的提升. 而NRAO/BYU則針對大口徑射電望遠鏡天線開展研發工作,因此更注重單波束效率,采用了制冷的LNA,以及與之相配的天線單元,但與傳統的喇叭饋源相比,目前樣機達到的系統溫度偏高.

由于饋源陣列互耦噪聲的影響,以及有源阻抗引起的LNA噪聲提高,目前相控陣饋源的系統溫較制冷的喇叭饋源存在一定差距,限制了望遠鏡單個波束的靈敏度,這是其發展中亟需解決的問題.

3超寬帶單波束饋源

天體輻射具有不同的頻譜特性,除大視場外,在更寬的頻帶內對某一射電源進行觀測也一直是射電望遠鏡的發展方向. 由于傳統饋源的工作帶寬僅有一個倍頻程左右,望遠鏡天線往往需要配備數套不同頻段的饋源; 并設計一套復雜的饋源切換系統. 觀測時,在頻段間進行切換[16-18]. 若射電望遠鏡能夠配備超寬帶單波束饋源,則不僅能獲得超寬頻帶觀測能力,提高射電望遠鏡靈敏度,而且能有效減少接收機數量,降低工程建設和運行維護成本.

目前,見諸報道的超寬帶單波束饋源主要有四脊喇叭(Quad-Ridge Flared Horn)、Eleven饋源、ATA對數周期饋源、QSC (Quasi-Self-Complementary)饋源、Sinuous饋源[19-24]等,其外形及主要特點分別如圖5和表2所示.

(a) QRFH　　　　　(b) Eleven饋源

(c) ATA對數周期饋源　　(d) QSC饋源

(e) Sinuous饋源　　 (f) 平面Sinuous饋源圖5　各種超寬帶單波束饋源

饋源名稱方向圖特性帶寬比Eleven波束寬度與相位中心恒定7∶1ATA波束寬度恒定,相心變化大10∶1QSC波束寬度恒定,高頻性能下降10∶1Sinuous波束寬度恒定,高頻性能下降4∶1QRFH波束寬度可調7∶1

除了阻抗帶寬外,為保證反射面天線在寬頻帶內的高效率,作為饋源的天線其波束寬度及相位中心要求比較恒定. 就輻射機理而言,除四脊喇叭外,其余超寬帶單波束饋源均采用頻率無關設計. ATA饋源為兩對傾斜放置的對數周期天線,Eleven饋源和QSC饋源都借鑒了對數周期天線的設計,并在饋電端引入金屬反射板,將天線相位中心穩定在饋電點附近. 采用頻率無關設計的優點在于,饋源方向圖波束寬度和相位中心隨頻率變化較小,且高度較低,缺點是天線一般需要四端口甚至八端口饋電,比較復雜. 此外,由于饋源的結構形式在寬頻帶難以真正實現與頻率無關,天線在某些頻點及高頻段的性能不可避免地受到一些影響.

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. 其特點是饋電方便,插入損耗較小. 但其屬于口徑天線,因此方向圖和相位中心隨頻率有一定變化.

盡管上述饋源實現了超寬頻帶的阻抗特性,但其照射反射面時的性能與傳統的倍頻程饋源相比尚有一定差距,尤其是在高頻段,照射效率僅有50%～60%,這也為各國專家學者留下了更多的研究空間.

4孔徑陣列

在米波波段,中小口徑反射面天線的電尺寸相對較小,微波光學難以成立,而大口徑反射面天線造價高昂,因此更多采用低方向性天線組成陣列的方式實現大接收面積. 早期的孔徑陣列不具有電子調相能力,需要通過機械轉動改變唯一波束的指向. 隨著科技的發展,相控陣天線也開始在射電天文領域得到應用. 雖然相控陣天線技術已在雷達、通訊等領域得到廣泛應用,但用于射電天文的相控陣所需的波束數量、多倍頻程帶寬、低噪聲、以及信號處理和校準技術,是前所未有的.

出于對接收面積的需求,用于射電天文的孔徑陣列常常由數萬甚至數十萬個寬帶天線單元組成,其數量和工作帶寬遠大于其它領域天線.此外,射電天文孔徑陣列一般先由大量單元組成一個站點,相當于一面幾十米的天線,再由各個稀疏分布的站點組成一個更大規模綜合孔徑望遠鏡.由于單個陣元的波束很寬,幾乎可以看到整個空域,在后端信號處理能力允許的情況下,孔徑陣列可形成大量的獨立波束,為快速巡天提供極大的便利,這是大口徑的反射面天線無法比擬的.

目前,世界上新建和在建的孔徑陣列形式的射電望遠鏡主要有,歐洲LOFAR (Low Frequency Array)、EMBRACE (Electronic Multi-Beam Radio Astronomy Concept)、澳大利亞MWA (Murchison Widefield Array)和美國LWA (Long Wavelength Array)[25-29]等，如圖6所示.

(a) LOFAR　　　　(b) EMBRACE

(c) MWA圖6　孔徑陣列形式的射電望遠鏡

以上陣列的站點從形式上可分為稀疏陣和致密陣兩種. 500 MHz以下,天空噪聲溫度與波長的2.55次方(λ2.55)成正比,而低方向性天線的有效接收面積約為波長平方的一半(λ2/2),因此采用稀疏陣形式可近似得到靈敏度與頻率無關的望遠鏡陣列. 而在500 MHz以上,天線插損和LNA已成為系統噪聲的主要來源,此時采用致密陣更有利于壓低遠旁瓣,實現高的靈敏度[26]. 由于陣元數量巨大,直接對每個陣元輸出的寬帶信號進行波束合成和相關目前難以實現．因此,這些陣列均采用信號放大、分級模擬合成、再采樣和數字合成,站點間同指向波束相關的方式進行處理. 盡管如此,孔徑陣列,尤其是致密陣的信號處理、傳輸和校準,以及陣列功耗,對現有技術而言仍是巨大挑戰.

目前,SKA規劃建設低頻和中頻兩個孔徑陣列(見圖7)[29],前者將由上百萬個對數周期天線組成,頻率覆蓋50～350 MHz,后者由分布在200 km內的250個Vivaldi陣列天線站點(station)組成. 每個站點的陣列天線直徑約60 m,頻率覆蓋400～1 400 MHz. 這兩個口徑陣列望遠鏡的建成,將為米波到分米波段的觀測提供前所未有的靈敏度和巡天速度,極大地推動射電天文學的發展.

圖7　SKA低頻和中頻孔徑陣列效果圖

5結論

在SKA項目的推動下,天線技術得到了蓬勃發展．工作于米波波段的多波束數字孔徑陣列將賦予望遠鏡巨大接收面積和超大視場．得益于整體成型技術的出現,數以千計的用于分米、厘米波的反射面天線得以快速安裝．其配備的相控陣饋源與超寬帶單波束饋源的使用,將分別賦予這些反射面天線幾十個波束同時觀測和超寬頻帶內同時觀測的能力. 先進的天線設計技術和制造工藝的研發和應用,將賦予射電望遠鏡前所未有的靈敏度和巡天速度,并使現有的望遠鏡換發新的活力,從而為新的科學發現提供可能. 而這些射電望遠鏡天線技術本身,也將極大推動整個天線行業的技術發展.

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Overview of new antenna technologies for the Square Kilometre Array

WU Yang1,2,3DU Biao1,2JIN Chengjin1,3PENG Bo1,3

(1.JointLaboratoryforRadioAstronomyTechnology,NAOC&CETC54,Beijing100012,China;2.The54thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shijiazhuang050081,China;3.NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China)

AbstractPerformance of a radio telescope mainly depends on the front-end, especially the antennas. During the past decades, characteristics of the antennas are greatly improved, such as effective receiving area, frequency bandwidth, and field-of-view etc, which enables new scientific discoveries. This paper presents an overview of the emerging technologies of antennas for the next-generation radio telescopes, including the single-piece reflector panel, phased array feed, ultra-wideband single pixel feed, and aperture array. As part of the worldwide efforts toward the Square Kilometre Array(SKA), these technologies are actively prompted and breakthroughs have been made, which may also provide experiences for other antennas.

Keywordsradio telescope; antenna; multi-beam; ultra-wideband; aperture array

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號TN823

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0413-07

DOI10.13443/j.cjors.2015061005

作者簡介

伍洋(1984-),男,安徽人,中國科學院國家天文臺博士后. 研究方向為射電望遠鏡天線與饋源技術.

杜彪(1962-),男,河北人,中國電子科技集團公司第五十四研究所研究員，博士，博士生導師，所首席專家，所副總工程師，中國電子學會高級會員. 研究方向為衛星通信地球站天線、微波天線和饋源系統.

金乘進(1972-),男,吉林人,中國科學院國家天文臺研究員,博士,博士生導師,FAST工程接收機與終端系統總工程師,中國電子學會高級會員. 研究方向為天體物理、射電天文技術、射電天文饋源與接收機.

彭勃(1964-),男,湖南人,中國科學院國家天文臺研究員,博士,博士生導師,SKA國際組織科學董事FAST工程副經理,中國電子學會高級會員. 研究方向為天體物理、射電天文技術與方法.

伍洋, 杜彪, 金乘進, 等. 平方公里陣天線新技術綜述[J]. 電波科學學報,2016,31(2):413-419. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061005

WU Y, DU B, JIN C J, et al. Overview of new antenna technologies for the Square Kilometre Array[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):413-419. (in Chinese). DOI:10.13443/j.cjors.2015061005

資助項目: 國家重點基礎研究發展計劃(2013CB837900)； 國家高技術研究發展計劃(SS2014AA12 2001)；

國家自然科學基金(11261140641)

聯系人： 伍洋 E-mail: ywu@nao.cas.cn