一種天籟計(jì)劃專用試驗(yàn)天線研制*

朱加爐，陳志平，張巨勇，劉 睿

(1. 杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018； 2. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)， 北京 100012)

一種天籟計(jì)劃專用試驗(yàn)天線研制*

朱加爐1，2，陳志平1，張巨勇1，劉 睿1

(1. 杭州電子科技大學(xué)， 浙江 杭州 310018； 2. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)， 北京 100012)

要使天籟計(jì)劃小規(guī)模天線陣建設(shè)順利進(jìn)行，就需對(duì)天線的結(jié)構(gòu)形式、網(wǎng)面材料和結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等進(jìn)行研究。文中應(yīng)用現(xiàn)代概念設(shè)計(jì)方法，根據(jù)暗能量的探測(cè)原理和國(guó)外合作者搭建的2個(gè)小型對(duì)稱拋物柱形網(wǎng)狀反射面試驗(yàn)?zāi)Ｐ退偨Y(jié)的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立了不對(duì)稱的小模型拋物柱面試驗(yàn)天線樣機(jī)。利用全站儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)天線框架和網(wǎng)面精度進(jìn)行了校驗(yàn)，得到的天線面的最大變形量和均方差值均滿足設(shè)定的指標(biāo)。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)2年的天線樣機(jī)環(huán)境試驗(yàn)，獲得了多種測(cè)量數(shù)據(jù)，為天籟計(jì)劃陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作安裝和網(wǎng)面選擇提供了參考依據(jù)。

柱面天線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；網(wǎng)面測(cè)試

引 言

人類不斷探索宇宙起源和演化的奧秘。從20世紀(jì)60年代宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)到90年代利用COBE衛(wèi)星觀測(cè)，在更高精度上發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜，證實(shí)了大爆炸宇宙學(xué)模型和宇宙物質(zhì)分布的不均勻性質(zhì)。1998年宇宙學(xué)研究又取得了一大進(jìn)展，超新星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹[1-2]，揭示了暗能量的存在?，F(xiàn)代宇宙學(xué)研究表明, 恒星等發(fā)光物質(zhì)只占宇宙總密度的0.4%左右，不可見的中微子、黑洞及星系際氣體等物質(zhì)為3.6%左右，剩下的 96%均是不發(fā)光的暗物質(zhì)和具有負(fù)壓強(qiáng)的暗能量[3]。迄今為止，還無法揭示暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，也無法利用現(xiàn)有的物理學(xué)基礎(chǔ)理論和廣義相對(duì)論進(jìn)行正確的解釋，其解決將掀起一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。

當(dāng)前，人們對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的探測(cè)十分重視，已提出了多種針對(duì)暗能量觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，其關(guān)鍵在于精確測(cè)定出暗能量和暗物質(zhì)的性質(zhì)、機(jī)理和組成，以檢驗(yàn)、區(qū)分提出的不同假設(shè)模型。為了證實(shí)低能過剩、核反沖現(xiàn)象，全球各地從暗物質(zhì)直接探測(cè)原理出發(fā)，廣泛開展了地下深層實(shí)驗(yàn)室的20多項(xiàng)試驗(yàn)。同時(shí)NASA等機(jī)構(gòu)發(fā)射了伽馬射線探測(cè)衛(wèi)星，通過高能宇宙線探測(cè)正負(fù)電子、質(zhì)子和反質(zhì)子及B/C比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)的間接探測(cè)。隨著射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，科學(xué)界又提出了通過地面的間接探測(cè)。而暗能量射電探測(cè)仍處在探索和研究階段，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)及時(shí)投入力量，開展暗能量射電探測(cè)實(shí)驗(yàn)的研究，并命名為天籟計(jì)劃，力爭(zhēng)在這方面的研究中率先跨出第一步[4]。

現(xiàn)有的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)小，而大型望遠(yuǎn)鏡陣列均有針對(duì)的觀測(cè)目標(biāo)，很難在合理的時(shí)間內(nèi)對(duì)暗能量進(jìn)行高精度觀測(cè)，很難滿足這類觀測(cè)所需的大天區(qū)面積、高靈敏度的巡天觀測(cè)要求。因此，急需研制一種針對(duì)上述暗能量觀測(cè)的專用射電望遠(yuǎn)鏡陣列，并通過宇宙膨脹背景下中性氫發(fā)出的紅移了的21 cm波長(zhǎng)信號(hào)去探測(cè)暗能量和暗物質(zhì)，從而精確描繪出物質(zhì)的大尺度三維結(jié)構(gòu)分布。對(duì)于紅移1(波長(zhǎng)42 cm)的觀測(cè)，大約100 m長(zhǎng)的陣列即可滿足要求。同時(shí)，為了提高單像素信噪比，增加積分時(shí)間，陣列應(yīng)基本填滿。且與國(guó)外合作者在陣列的基本設(shè)計(jì)、靈敏度估計(jì)等方面已有一些初步的研究[5-6]。天籟計(jì)劃在建設(shè)全規(guī)模陣列之前，需要建一個(gè)由100～200 個(gè)接收器組成的射電陣列。通過這一較小規(guī)模的先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，并根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來改進(jìn)暗能量探測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述要求，文中對(duì)天線陣的天線單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，并在某觀測(cè)站建了6 m ×15 m的天線模型，開展饋源電性能測(cè)試、結(jié)構(gòu)力學(xué)特性測(cè)試、網(wǎng)面調(diào)整試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)，為最終的陣列建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)及提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 天線總體方案設(shè)計(jì)

利用紅移21 cm信號(hào)，測(cè)量重子聲波(Baryon Acoustic Oscillation：BAO)的振蕩峰，實(shí)現(xiàn)暗能量的探測(cè)，雖然對(duì)望遠(yuǎn)鏡接收面積的要求并不太高，但望遠(yuǎn)鏡干涉陣列需要有幾百到幾千個(gè)接收單元，才能滿足大視場(chǎng)、高靈敏度、高精度的較高觀測(cè)精度要求。

選用射電望遠(yuǎn)鏡天線的形式與觀測(cè)頻率(或波長(zhǎng))有關(guān)。計(jì)劃觀測(cè)的波段為分米波段，如果采用振子天線，陣列的技術(shù)難度和所需的建造成本會(huì)因振子單元的接收面積太小而偏高。若采用具有匯聚電波、增大單個(gè)單元接收面積的碟形或柱形拋物反射面天線陣列，原則上都能較好地實(shí)現(xiàn)暗能量的觀測(cè)，但各有所長(zhǎng)。對(duì)碟形天線而言，技術(shù)相對(duì)較成熟，2個(gè)極化的響應(yīng)比較對(duì)稱；而拋物柱形天線在垂直柱面方向上能聚焦接收信號(hào)并能降低干擾，沿柱面方向上則能提供一個(gè)比較均勻的視場(chǎng)。

在天線陣布局方面，排列方式(例如陣列的排列方式)是一個(gè)重要的問題。緊湊的排列有助于延長(zhǎng)天區(qū)的有效觀測(cè)時(shí)間，提高單像素信噪比。不過，從改進(jìn)UV覆蓋、提高角分辨率考慮，也可以在柱面間安排一些間隔，這有助于識(shí)別點(diǎn)源。

天線的寬度和形式等也將影響系統(tǒng)的性能。天線寬度的增大或者接收面積的增加都可提高天線的增益，對(duì)于柱形金屬網(wǎng)反射面而言，其成本增加也不多。但較寬的天線波束較窄，對(duì)于靜止不動(dòng)、依靠地球旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)巡天的望遠(yuǎn)鏡，會(huì)減少天區(qū)的積分時(shí)間。對(duì)于天線的饋電型式，目前考慮了2種類型：中心饋源方式和偏置饋源方式，如圖1所示。對(duì)天線的最佳寬度和形式，還將進(jìn)行進(jìn)一步的模擬研究，以找到最佳方案。

圖1 柱形反射面天線形式

2 單元天線樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

調(diào)研表明，這樣的大規(guī)模暗能量陣列，目前世界上完整的工程先例非常少，只有合作者Jeff Peterson 教授、彭威禮教授、Reza Ansari教授等曾于2007年在美國(guó)Carnegie-Mellon大學(xué)搭建過2個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的小型拋物柱形網(wǎng)狀反射面試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因此在建設(shè)大規(guī)模天線陣列前，需要先建立小規(guī)模天線陣列樣機(jī)進(jìn)行多方面的技術(shù)研究。由于合作者所建的試驗(yàn)天線為小口徑的對(duì)稱拋物柱面天線陣，因此考慮先建1個(gè)與工程口徑相似的不對(duì)稱拋物柱面天線陣的單元實(shí)驗(yàn)天線，對(duì)這2種不同形式的天線進(jìn)行對(duì)比研究，以進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)單元天線陣用于檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)性能和網(wǎng)狀反射面的材料性能等，它長(zhǎng)6 m，寬15 m，設(shè)計(jì)成鋼、鋁型材與混凝土混合結(jié)構(gòu)。利用該天線，可以對(duì)多種網(wǎng)面材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開展饋源電性能測(cè)試、結(jié)構(gòu)力學(xué)特性測(cè)試、網(wǎng)面調(diào)整試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)等，從而為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。試驗(yàn)天線作為天線陣的一個(gè)單元模型，其總體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：模型比1 ∶ 1；裝配單元長(zhǎng)度6 m；裝配單元口徑15 m；饋源高度7.8 m；天線結(jié)構(gòu)離地面的最低高度30 cm；天線反射面為拋物柱面。

2.1 天線實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)采用的專用拋物柱面天線為固定式，沒有運(yùn)動(dòng)部件，所需天線精度也較低，因此天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化。但天線工作環(huán)境比較苛刻，尤其是必須面對(duì)惡劣天氣(大風(fēng)、雨雪、嚴(yán)寒、酷暑、沙塵等)的影響。

拋物柱形反射面天線所需的口徑為15 m，焦徑比為0.38，工作中心頻率為700MHz，并要求表面精度≥1 cm(rms)，諧振頻率>5 Hz。環(huán)境適應(yīng)性則要求：1)工作環(huán)境溫度為-30 ℃～65 ℃；2)風(fēng)載：7級(jí)風(fēng)(15 m/s)保精度，12級(jí)風(fēng)(36 m/s)不破壞；3)抗地震烈度等級(jí)為7級(jí)。

2.2 天線實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)一般由反射面、天線面支撐架、基座、饋源和饋源支撐架組成。天線面支撐架主要由背架、調(diào)整機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)組成；饋源支撐架主要由饋源裝調(diào)機(jī)構(gòu)、撐桿及預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成。為便于加工和裝調(diào)，設(shè)定裝配單元長(zhǎng)度為6 m，前期已經(jīng)建立了試驗(yàn)天線模型，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天線陣裝配單元結(jié)構(gòu)圖

專用實(shí)驗(yàn)天線的饋源數(shù)量很多，尺寸較大，這給設(shè)計(jì)與研制增加了難度，當(dāng)柱面天線尺寸較大、饋源高度較高時(shí)尤其如此。所采用的非對(duì)稱拋物柱面設(shè)計(jì)便于饋源的安裝和維修。該天線只采用最終建成的天線陣的1個(gè)單元，旨在對(duì)天線機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能、網(wǎng)面材料及網(wǎng)面框架大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及測(cè)試，為最終天線設(shè)計(jì)和天線陣的建設(shè)提供參考。

2.2.1 天線基座設(shè)計(jì)

天線基座采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它是整個(gè)天線的基礎(chǔ)支撐物，主要承擔(dān)天線面、饋源及相關(guān)輔助設(shè)備的自重載荷，并抵抗風(fēng)、雪、沙暴等惡劣載荷?？紤]到基座的負(fù)載和所處的環(huán)境，混凝土選擇C30，由4個(gè)主基座和20個(gè)輔助基座組成，如圖3所示。

圖3 基座的布局

2.2.2 天線網(wǎng)面和網(wǎng)面支撐架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

專用試驗(yàn)天線的中心工作頻率為700 MHz，天線接收電波的最短波長(zhǎng)約為21cm。當(dāng)接收波長(zhǎng)大于10 cm時(shí)，天線反射面一般都采用網(wǎng)狀反射面，而該天線接收波長(zhǎng)約為21 cm，必然會(huì)采用網(wǎng)狀反射面?？紤]到金屬絲網(wǎng)的平整度、防腐處理方法、成本等，此實(shí)驗(yàn)單元天線的網(wǎng)面選用鋼板網(wǎng)反射面。

網(wǎng)面支撐架框式的背架和調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4所示。背架是射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)中重要的部分，背架設(shè)計(jì)是天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它的主要作用是使反射面保持精確的面形。對(duì)于口徑較小的天線，背架的設(shè)計(jì)并不復(fù)雜。而當(dāng)天線口徑較大或者要求精度較高時(shí)，所使用的桁架結(jié)構(gòu)就需要優(yōu)化。該天線由于尺寸較大，采用T型鋁與角鋁連接而成的框式結(jié)構(gòu)，其主要作用是支撐網(wǎng)狀天線面，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)保證其面形精度。調(diào)整機(jī)構(gòu)主要分布在T型鋁的兩端和中段，通過微調(diào)天線背架節(jié)點(diǎn)的位置，提高反射面上節(jié)點(diǎn)的精度。

圖4 調(diào)整機(jī)構(gòu)位置和結(jié)構(gòu)

2.2.3 天線饋源支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

饋源支撐結(jié)構(gòu)由饋源支撐桿、饋源裝調(diào)機(jī)構(gòu)及預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。饋源桁架由角鋼焊接而成，兩端安裝在2根主支撐桿的上端面法蘭上，與主支撐桿連接的角鋼在天線口徑方向上開長(zhǎng)孔，使饋源桁架可在天線口徑方向進(jìn)行微調(diào)。安裝饋源的調(diào)整機(jī)構(gòu)由調(diào)節(jié)螺栓連接在支撐桁架上，通過調(diào)節(jié)螺栓長(zhǎng)度可以微調(diào)饋源的高度。

預(yù)緊結(jié)構(gòu)的主要作用是提高天線結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，增加抗傾覆能力。在主支撐桿和饋源支撐桿的3個(gè)方向上用鋼絲索拉緊，分別通過U形環(huán)、花蘭螺栓和地面上地錨的連接作用調(diào)整鋼絲繩索的預(yù)緊力。

圖5 饋源支撐結(jié)構(gòu)和預(yù)緊索具

3 天線反射面測(cè)試

天線反射面精度是影響天線性能的一個(gè)主要因素，也是衡量天線機(jī)械性能的3大指標(biāo)之一。反射面精度的好壞不僅對(duì)口面效率造成直接影響，還影響天線方向圖的主瓣寬度和旁瓣結(jié)構(gòu)。因此測(cè)量天線的表面精度，可以間接推算出它對(duì)天線電性能的影響。天線面的精度要求與工作波長(zhǎng)或頻率有關(guān)，它決定接收的最短波長(zhǎng)，且表面精度與天線工作頻率成正比[7]。一般要求天線表面精度是工作波長(zhǎng)的1/16～1/32，而測(cè)量精度要達(dá)到表面精度的1/3～1/5[8]，這對(duì)天線反射面的測(cè)量提出了要求。

3.1 天線反射面的測(cè)量方法

精密測(cè)量手段和方法在天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使天線測(cè)量有更大的靈活性和精確性。較常用的測(cè)量方法有經(jīng)緯儀測(cè)量法、攝影測(cè)量法、激光跟蹤測(cè)量法和全站儀測(cè)量法等。其中，經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)具有工作時(shí)無需接觸、范圍廣和精度高達(dá)±0.05～±0.2 mm的突出特點(diǎn)，故在天線制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。攝影測(cè)量系統(tǒng)則適用于高頻率場(chǎng)合及變形等動(dòng)態(tài)場(chǎng)合。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到5×10-6mm，適合于天線模胎及單塊面板的測(cè)量及質(zhì)量評(píng)定。而全站儀測(cè)量系統(tǒng)雖然沒有上述3個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度高，僅為±0.2～±0.5 mm,但具有成本低、操作方便、建立測(cè)量坐標(biāo)快、維持時(shí)間長(zhǎng)及測(cè)量范圍大(從幾米到200 m之間)等優(yōu)點(diǎn)。因此，全站儀測(cè)量系統(tǒng)非常適用于試驗(yàn)天線面精度的檢測(cè)和校核。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，全站儀在大尺寸范圍內(nèi)具有良好的測(cè)量性能，可與經(jīng)緯儀坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)相媲美。例如，美國(guó)Arecibo望遠(yuǎn)鏡的首次安裝測(cè)量就采用了全站儀進(jìn)行控制測(cè)量，控制網(wǎng)的精度為1 mm；美國(guó)EMS公司也成功地將該系統(tǒng)用于15 m口徑的卡式毫米波射電望遠(yuǎn)鏡、10 m × 7 m的緊縮場(chǎng)天線以及26 m天線口徑的厘米波跟蹤雷達(dá)天線的安裝測(cè)量和變形測(cè)量；NARO的Green Bank Telescope采用全站儀結(jié)合經(jīng)緯儀進(jìn)行了安裝測(cè)量，得到的表面精度為±1.1 mm；美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的GBR-P雷達(dá)，口徑14 m，采用TDM5005全站儀進(jìn)行了安裝測(cè)量及重力變形觀測(cè)，測(cè)量精度為±0.5 mm[9]。因此，采用全站儀完全可以滿足該天線2 mm反射面表面精度的測(cè)量要求。

3.2 天線框架精度的測(cè)量

此次測(cè)試中最重要的儀器為全站儀(型號(hào)為RTS312)，此外還有人工標(biāo)志。可根據(jù)試驗(yàn)天線的精度測(cè)試結(jié)果，通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置，提高天線座架結(jié)構(gòu)精度，進(jìn)而改善反射面的精度。同時(shí)可以檢驗(yàn)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與裝調(diào)方法的可行性，并通過數(shù)據(jù)分析，得出不同絲網(wǎng)的優(yōu)劣及框架細(xì)分方法的好壞。

檢測(cè)天線整體背架的基本尺寸，包括背架的長(zhǎng)度、寬度以及垂直關(guān)系。建立合適的坐標(biāo)系(以下測(cè)量均采用此坐標(biāo)系)，并用卷尺測(cè)出如圖6所示的網(wǎng)面各條線的長(zhǎng)度，測(cè)量對(duì)角線可檢測(cè)長(zhǎng)寬方向的垂直度。在測(cè)試時(shí)選擇了整個(gè)網(wǎng)面最右下方的點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并貼上了標(biāo)簽紙，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)面

將全站儀架設(shè)在距離網(wǎng)面基準(zhǔn)點(diǎn)約3 m處，并調(diào)節(jié)好全站儀的水平度，選擇坐標(biāo)測(cè)量方式。首先用標(biāo)簽紙貼出每個(gè)調(diào)整點(diǎn)的位置，用全站儀測(cè)出在N-E坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(e，n，z)。由于N-E坐標(biāo)系與建立理論方程的坐標(biāo)系存在一個(gè)方位角θ，所以將測(cè)得的點(diǎn)N-E坐標(biāo)輸入至AUTOCAD中，得到方位角為126.378 320 38°，然后利用坐標(biāo)系角度變換公式進(jìn)行坐標(biāo)變換。坐標(biāo)變換公式如下：

X=e× cosθ+n× sinθ

(1)

Y=n× cosθ-e× sinθ

(2)

背架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：在Y軸方向，2段長(zhǎng)度分別為6 000 mm和6 003 mm，相差3 mm；在X軸方向，長(zhǎng)度分別為15 360 mm和15 365 mm，相差5 mm；對(duì)角線長(zhǎng)度分別為16 490 mm和16 495 mm，相差5 mm。由此可知，柱形天線的矩形口徑面的變形量非常小，最大方向相差5 mm。

3.3 網(wǎng)面測(cè)試結(jié)果與分析

3.3.1 數(shù)據(jù)處理

首先，利用式(1)、式(2)對(duì)所有測(cè)得的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到這些點(diǎn)在理論坐標(biāo)系中的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)，并求出誤差δz。由于天線處于室外環(huán)境，部分網(wǎng)面遭到小動(dòng)物的破壞，所以在測(cè)量中，去掉一些明顯被破壞的點(diǎn)。

將上面測(cè)得的點(diǎn)代入均方差公式即式(3)，得到網(wǎng)面精度均方差，結(jié)果見表1。

(3)

對(duì)此次測(cè)試的網(wǎng)面，在整個(gè)網(wǎng)面內(nèi)要求達(dá)到的精度在±10 mm以內(nèi)，因而根據(jù)此次測(cè)試結(jié)果，網(wǎng)面整體性能達(dá)到了指標(biāo)要求。

3.3.2 網(wǎng)面分析

根據(jù)不同的網(wǎng)面材料和安裝方式，整個(gè)網(wǎng)面可以分為以下幾片區(qū)域，如圖7所示，各網(wǎng)面分塊的均方差見表2。

圖7 網(wǎng)面分塊分析圖

網(wǎng)面名網(wǎng)面2網(wǎng)面6網(wǎng)面3網(wǎng)面5網(wǎng)面1網(wǎng)面4上網(wǎng)面均方差/mm6.737.347.788.559.6410.3410.75

圖7中上半部分的網(wǎng)面采用焊接網(wǎng)，其特點(diǎn)是網(wǎng)面可軟可硬，但不易整平。網(wǎng)面在焊接后局部不夠平整，均方差結(jié)果明顯大于下半部分網(wǎng)面。網(wǎng)面6也采用了焊接網(wǎng)，并且使用了網(wǎng)片框架，但制作方法不方便，效果也不好。網(wǎng)面1到網(wǎng)面5均采用鋼板網(wǎng)，其特點(diǎn)是網(wǎng)面可軟可硬，軟硬有方向，可整平、軋平。比較下半部分的網(wǎng)面從網(wǎng)面1到網(wǎng)面5，可發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過整平的網(wǎng)面2和網(wǎng)面3效果好于其他區(qū)域網(wǎng)面，而且使用框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)面2上測(cè)點(diǎn)的均方差最小，效果最好。

綜上所述，得到以下網(wǎng)面測(cè)試分析結(jié)果：

1)該天線的制作使網(wǎng)面達(dá)到了項(xiàng)目要求的網(wǎng)面精度要求；

2)根據(jù)網(wǎng)面的實(shí)際效果和測(cè)試數(shù)據(jù)，傾向于選擇鋼板網(wǎng)；

3)鋼板網(wǎng)網(wǎng)面可以整平后熱鍍鋅處理；

4)網(wǎng)面裝夾采用框架結(jié)構(gòu)可以明顯提高網(wǎng)面精度；

5)在實(shí)際使用過程中，天線網(wǎng)面需要適當(dāng)加強(qiáng)網(wǎng)面保護(hù)，盡量避免網(wǎng)面遭人與動(dòng)物踩踏。

4 實(shí)驗(yàn)天線靜置和環(huán)境試驗(yàn)

試驗(yàn)天線樣機(jī)經(jīng)過了2年的靜置和環(huán)境試驗(yàn)，經(jīng)歷了風(fēng)、雨、雪等惡劣天氣。采用全站儀對(duì)6 m × 15 m天線模型樣機(jī)的網(wǎng)面精度進(jìn)行了復(fù)查，檢測(cè)了靜置實(shí)驗(yàn)后的天線變形情況，如圖8所示。

圖8 靜置和環(huán)境實(shí)驗(yàn)后的天線樣機(jī)

對(duì)網(wǎng)面檢測(cè)數(shù)據(jù)分析如下：

1) 框架部分的網(wǎng)面精度總體均方差為7.8 mm，其中第1條T型鋁有明顯下沉，平均下沉10.6 mm；去除第1條T型鋁后的框架部分的網(wǎng)面精度均方差為4.2 mm。表明框架總體變形不大，剛性足夠。

2) 網(wǎng)面精度總體均方差為19 mm，其中網(wǎng)面數(shù)據(jù)以下沉為主。說明框架的框格大小需要進(jìn)一步細(xì)分以減少網(wǎng)面下沉。

3) 網(wǎng)面周邊需要焊接框架，便于固定，否則網(wǎng)邊容易脫離， 如圖9所示。

4) 網(wǎng)面絲需要鍍鋅處理，只用防銹漆噴涂效果不理想。

5) 天線結(jié)構(gòu)離地面的最低高度需要在1 m左右，因?yàn)樾枰紤]野草生長(zhǎng)及蔓延問題。

5 結(jié)束語

現(xiàn)代概念設(shè)計(jì)方法在工程中的應(yīng)用給天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的方法，極大地提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率、可預(yù)見性和合理性。

該天線為天籟計(jì)劃小規(guī)模天線陣的一種方案試驗(yàn)樣機(jī)，旨在通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的合理性和網(wǎng)面結(jié)構(gòu)選擇的正確性。根據(jù)實(shí)際情況，選擇全站儀系統(tǒng)測(cè)量天線反射面的精度，最終通過提取天線拋物面上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)值，計(jì)算它們的均方差。計(jì)算結(jié)果分別為整體網(wǎng)面8.53 mm，框架調(diào)整點(diǎn)3.69 mm，整體框架5.08 mm。天線面的最大變形量和均方差值均滿足設(shè)定的指標(biāo)要求。天線樣機(jī)歷時(shí)2年的靜置和環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)網(wǎng)面的選擇和支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)方向，為天籟計(jì)劃天線陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作安裝和網(wǎng)面選擇提供了參考依據(jù)。

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朱加爐(1989-) ，男，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。

Development of Special Test Antenna for Tianlai Project

ZHU Jia-lu1,2，CHEN Zhi-ping1，ZHANG Ju-yong1，LIU Rui1

(1.HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018,China；2.NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China)

In order to make the construction of the small antenna array in Tianlai Project go smoothly, research on the antenna structure form, reflector material and structure, infrastructure design is required. In this paper the asymmetric parabolic cylindrical test antenna prototype is set up based on the modern concept design method, the detection principle of dark energy and the design experience from foreign partners by building two small cylindrical symmetric mesh reflector test models. The precision of antenna framework and net surface is measured with the total station instrument. Both the biggest deformation and the mean-square deviation of the reflector meet the requirement. After 2 years′ environmental test, many different measurement statistics of the antenna prototype are obtained, which can provide reference and basis for the structure design, manufacture & installation and net surface selection of the antenna array of Tianlai Project.

cylindrical antenna; structure design; surface test

2014-07-14

國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012AA121701)

TN82

A

1008-5300(2014)05-0032-05