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[话题讨论] FAST天线如何更新?

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发表于 2019-11-6 14:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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FAST天线如何更新?
Do you want to update the FAST antenna?
都世民(Du Shimin)
摘要:本文讨论FAST的天线潜能。因这个天线是国家重点工程,耗资大,研制的周期长,维修的费用也高。但这种大型反射面天线,一旦型面给定以后,应该挖掘潜力,考虑更新问题,扩展探测性能,开发新的资源。基于这些原因,笔者讨论有关问题。
关键词:FAST,天线,馈源,超宽带,宽角电扫。

一.引言
1)中国科学院国家天文台钱磊在科学网发表的文章:“作为天线的FAST”。笔者对这篇文章的一些问题已进行了讨论。笔者了解FAST天线系统电气设计不是国家天文台做的,南仁東带的研究生的文章,也表明他本人对天线电气不太了解。这项国家重点工程耗资大,研制的周期长,维修的费用也高,需要考虑挖掘这项工程的潜力,充分利用它的潜力,提升该工程的性能和探测范围。这是今后需要考虑的问题。
2)另外,笔者在《太赫兹科学与电子信息学报》上,2019年8月,发表的一篇文章,“超宽带饋源技术发展综述”,作者伍洋、杜彪,研制单位是中国电子科技集团公司54所。马军是中科院新疆天文台。不难看出,这两个单位是合作单位,一篇综述文章署名两个单位,比较少见。
3)笔者思考国家天文台正在考虑fast天线系统更新问题,主要更新对象应该是馈源部分。而馈源的更新需要更进一步的展宽频率范围。为此笔者搜索超宽带馈源技术,发现湖南大学研究生论文,“超宽带反射面馈源天线设计”,作者:谢超 。文中提到fast的一期工程。
https://www.doc88.com/p-2334894182909.html道客巴巴网。
在科技部863项目支持下,“天籁计划”是由中国科学院国家天文台主持研制的,用于间接观测暗物质的专用射电望远镜,,该射电望远镜的工作频率为400~1400MHz,工作带宽为3.5:1。“天籁计划”一期实验系统,采用了新型四方板超宽带馈源,然而该馈源只能工作在600-1200MHz频段,工作带宽仅为2:1,不能满足“天籁计划”对馈源的设计要求。
4)钱磊发表的文章指出:FAST系统工作频率是从70MHz~3000MHz,最高工作频率是3GHz,波长10cm。该系统工作带宽比一期工程要宽得多。要求天线型面公差均方值小于5毫米。约为工作波长的1/20。天线型面测量精度为2毫米。馈源控制精度为10毫米,要求测量精度为为5毫米。对天线型面变形测量要求1-2min。测量要求全天候、全天时、全自动化、智能化。用10余个毫米级精度基准站组成的测量基准网。通过9个近景测量基站,对反射面型面实时扫描。结构设计和制造的难度相当大,克服了不少困难。通常对这类大型天线系统的更新,改进部分主要是饋电系统。
二.饋源的相位中心
馈源是射电天文望远镜的关键部件,其性能的好坏直接影响射电望远镜的性能。射电望远镜的馈源需具有口径效率高、相位中心稳定、辐射均匀以及驻波比小于1.5等特性。随着天文探测的需要, 在国际上,众多具有影响力的射电望远镜项目相继展开,如SKA项目、FAST项目以及“天籁计划”等。馈源相位中心的计算和试验研究,在国内外有关专业期刊上,有不少论文。
什么是馈源相位中心?饋源的相位中心,看成是饋源辐射的球面波等相位面的曲率中心。通常还是用主平面的相位方向图,寻找等相位面得到的馈源相位中心,可是不同的极化面、不同频率得到的相位中心是不一样的,因此只能采用折中的方法,确定饋源安放位置。
“论天线饋源的相位中心”,章日荣,刘刚。《无线电通信技术》 1990年01期。这篇文章,提出相位中心的新概念,是指主极化面相位损失最小,给出计算的相位中心表示式,文中没有计算结果,也没有试验结果。
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WXDT199001001.htm
反射面天线馈源相位中心的研究,.徐国华等,1990年,电子学报,18卷第4期。这篇文章是讨论的变形反射面天线馈源相位中心,不是局限于旋转抛物面,同时考虑到重量引起的变形等因素,变形后的曲面,用最小二乘法拟合,再计算相位效率,给出馈源相位中心的表达式,这篇文章给出一些计算结果,是针对8米口径卡氏天线,计算在仰天状态,考虑自重变形,没有考虑风载及其他因素,没有试验结果。
https://www.doc88.com/p-1806017530352.html
一种双频喇叭馈源相位中心分析.pdf,黎娜,《现代电子技术》,第35卷第7期,2012年4月。给出了计算结果,相位中心的位置和幅相方向图。没有试验结果。https://max.book118.com/html/2017/0725/124265540.shtm
“超宽带多极化跟踪天线及馈源的设计”,作者:饶玉如等,《现代雷达》,2017年5月,V0L.39卷,第5期,( https://www.doc88.com/p-9032567746106.html)。
这篇文章指出: 随着空间技术的快速发展,对目标飞行器的跟踪与信息截获变得越来越重要。为了实现对目标飞行器的跟踪和信息截获,文中设计了一种超宽带、多极化、高增益的跟踪天线及馈源,采用基于印制板设计的对数周期天线作为单元,并使用八个单元组成圆环阵作为反射面天线的馈源,实现线极化比幅跟踪、左旋圆极化接收、右旋圆极化接收三种工作方式。仿真结果表明:单元天线驻波小于2的相对带宽达到147%,次级方向图的圆极化轴比小于4dB,交叉波束的交叉电平基本稳定在-3dB--8dB。对该跟踪天线进行加工,并进行天线系统测试,实际测试结果与仿真吻合很好。
不难看出,计算馈源相位中心都是计算远场幅相方向图,馈源相对于反射面是在近场,不是远场。所以计算的结果与实际情况不相符合,是一种近似。另外,发表的论文大都没有试验结果,就是有结果也是指天线部分,不是馈源本身的验证。怎么能够证明这些计算结果是正确的?!误差是多少?对于大型反射面天线而言,特别是对超宽频带,加上不同的极化形式和不同的极化面,相位中心的变化就比较复杂,也就是说寻求一个最佳的天线效率是很困难的事情,还要照顾其他指标。而大型天线效率测量,想通过调整馈源的位置也是很困难的。但这些问题在已发表的论文中根本没有讨论。
三.饋电系统的改进
作为高增益反射面天线,早先这类天线的频率范围大都为10%。后来扩展到一个倍频程。随着超宽带技术的发展,频率范围扩大到几个甚至几十倍频程。频率范围扩展也受到仪器设备的限制,过去无法实现超宽带扫频。对超宽带饋源的技术要求有不同的含义,这与天饋系统本身的用途有关,有些系统对饋源的要求包括:给定边缘照射电平对应的波束宽度;在工作带宽内,幅度方向图基本等化;相位中心稳定;交叉极化电平满足给定要求;电压驻波比小于1.5~2。通常对超宽带的要求,主要是指电压驻波比,因为相位中心要满足超宽带的要求很困难,因为相位方向图测量无法扫频,在超宽带范围内,要选择多少个点?分别测试相位方向图,再加上主平面两个方向图,这个工作量很大,如果饋源的相位中心不吻合,折衷选择时,调试困难。大型饋源的调整装置要做专门设计。单纯靠计算相位中心的位置与实測值很难吻合。
为了实现超宽带反射面天线性能要求,只好采用多个饋源。这样做减少对饋源带宽的要求,这就增加了整个天线系统的成本,给使用方带来困难。对于大型天线,更换饋源的难度增加,成本也增高。特别是在频率比较低的频段,饋源的饋电网络会涉及同轴和波导的区别,这就使系统更加复杂化。
伍洋所写的综述文章,列出的超宽带饋源有几种形式,非频变饋源、对数周期饋源、Eleven饋源、脊喇叭饋源、可重构的相控阵饋源、人工电磁材料馈源等。除此而外,笔者曾经看到波导同轴饋源、多层平面微带天线饋源,这类饋源的阻抗带宽很寬,驻波比小于2时可达1~40GHz。这篇综述文章给出的参考文献只有50篇。略显不足、
另外,笔者早年曾经在电磁兼容(EMC)学科看见场强测量探头,方向图是全向的,阻抗带宽1~40GHz。这种天线实际上就是最基本的偶极子天线,这上面有电阻涂层,三个单元空间排列。如果将这种天线,组成一个阵列,形成一个定向的波束饋源,用来作为反射面天线的超宽带饋源。是否值得同行们研究?
还有一种超宽带天线,就是时域特性,最近出版的一本新书“超宽带电磁辐射技术”,2018年9月出版,国防工业出版社。这是俄罗斯三名学者写的一本著作,介绍的超宽带的天线,也是空间排列的偶极子天线,称作为矢量接收天线。笔者思考如何把这些超宽带天线综合起来加以改进,作为反射面天线的超宽带饋源。
四.天线系统的改进
FAST天线不能实现电扫描,天线太大,即使安装旋转机构,要天线旋转也是很困难的。能不能实现天线波束扫描?这是个大问题,如果能实现天线波束扫描,使用方肯定乐意。笔者从人眼构造思考,如果现在的反射面是球面,不进行调整,不需要改成拋物面,通过改变饋源,将饋源安装到现在的球面上,饋源形式选择宽频带平面微带天线,馈源相位中心贴合在球面上,在球面上方,放置变折射率透镜,让它旋转,从而实现波束的电扫描。
关于变折射率透镜的研制,是天线学科的研究热点,球体内放置什么材料能够实现变折射率,重量要尽量的轻。现在天线的移动方式,能否让球形变折射率透镜转动?这些问题需要进一步探讨,不是不可能,如果实现了,这将是世界上独有的扫描天线。希望同行们研究。
笔者对FAST天线先后写了两篇博客,其目的是想促进这个天线系统的改进,希望年轻的专家学者,能够打破以往的专业知识框架,更开阔的思考未来的天线型式。研制出中国人特有的大型天线型式!
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