天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦研究*

梁占剛，李　斌，孫　昕，賈　茹

(1. 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上?！?00030；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049)

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天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦研究*

梁占剛1,2，李斌1，孫昕1,2，賈茹1,2

(1. 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海200030；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

天馬望遠(yuǎn)鏡是65 m口徑全實(shí)面地平式射電望遠(yuǎn)鏡，信號(hào)經(jīng)賦型拋物面主反射鏡和賦型雙曲面副反射鏡匯集后在卡塞格倫焦點(diǎn)處饋入低溫低噪聲接收系統(tǒng)。開展天馬射電望遠(yuǎn)鏡軸向偏焦研究,旨在拓展天馬望遠(yuǎn)鏡在低頻段的接收，創(chuàng)新之處在于利用P波段低頻振子天線作為接收機(jī)饋源，放置在距離副反射面頂點(diǎn)下方約1/4波長處，研究天馬望遠(yuǎn)鏡在P波段開展天文觀測(cè)的可行性。研究?jī)?nèi)容包括P波段振子天線設(shè)計(jì)、饋源軸向偏焦位置優(yōu)化以及觀測(cè)性能分析。P波段振子天線作為饋源，天線最大增益45 dB，天線效率64.25%。

天馬望遠(yuǎn)鏡；P波段；1/4波長；軸向偏焦

天馬望遠(yuǎn)鏡是目前投入運(yùn)行的亞洲最大口徑的射電天文望遠(yuǎn)鏡，總體性能在國際排名前四位。望遠(yuǎn)鏡采用卡賽格倫式天線結(jié)構(gòu)，由3部分組成，即主反射面、副反射面和饋源。其中主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為螺旋雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的第1個(gè)焦點(diǎn)與拋物面焦點(diǎn)重合，雙曲面的焦軸與拋物面的焦軸重合，饋源位于雙曲面的另一個(gè)焦點(diǎn)上，射電信號(hào)經(jīng)主反射面再經(jīng)副反射面聚焦到該焦點(diǎn)，饋源位于焦點(diǎn)位置，該焦點(diǎn)是天馬望遠(yuǎn)鏡的主焦位置，能量經(jīng)饋源饋入低溫低噪聲接收系統(tǒng)[1-2]。

天馬望遠(yuǎn)鏡目前配置L、C、S、X、Ku、K、Ka、Q等8個(gè)頻段。采用旋轉(zhuǎn)饋源和偏轉(zhuǎn)副反射面方案實(shí)現(xiàn)頻段切換，L頻段饋源偏焦固定放置，其它6個(gè)頻段饋源放置于一個(gè)直徑為2 m的轉(zhuǎn)盤上，自動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)1 min轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1[2]。

圖1饋源切換視圖

Fig.1Feed switch views

對(duì)于低頻波段，電磁波工作波長較長，喇叭饋源等接收設(shè)備尺寸較大，為進(jìn)一步拓展天馬望遠(yuǎn)鏡低頻段接收應(yīng)用，若在原來主焦位置處安裝，將占用較大的空間，嚴(yán)重影響其它波段的觀測(cè)效率，同時(shí)在不同波段觀測(cè)時(shí)，不便于和其它波段饋源使用同樣的切換方法?；诖藢?duì)天馬望遠(yuǎn)鏡在低頻段接收系統(tǒng)的開發(fā)研究顯得尤為重要[3-4]。

本文主要利用P波段振子天線作為饋源，利用電磁波傳播過程中反射疊加原理研究天馬望遠(yuǎn)鏡軸向偏焦以及性能。通過對(duì)P波段軸向偏焦位置性能的研究，進(jìn)一步拓展天馬望遠(yuǎn)鏡的接收波段范圍。振子天線安裝在副反射面下方，但不同于天馬望遠(yuǎn)鏡卡塞格倫焦點(diǎn)處，如圖1(b)。

1　理論分析

1.1振子天線與理想反射面

設(shè)計(jì)P波段振子天線作為饋源，研究偏焦位置的性能，頻率范圍305～345 MHz，中心頻率325 MHz，振子天線在工作波段內(nèi)回波損耗小于-18 dB，振子天線的最大增益2.55 dB。該頻段具有電磁波傳播距離遠(yuǎn)，傳輸衰減小，受電離層擾動(dòng)干擾小，傳播穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[3]。振子天線模型如圖2。

P波段對(duì)稱振子天線設(shè)計(jì)參數(shù)：

振子諧振頻率：325 MHz振子總長度：422 mm

振子半徑：5 mm 振子兩臂間距：16 mm

圖2振子天線模型

Fig.2Dipole antenna model

振子天線4個(gè)壁在x、y兩個(gè)相互垂直的方向固定安裝，材料為銅，套在4根塑料管中如圖2(b)。振子天線的輸入電阻75 Ω，傳輸線電阻50 Ω，為了實(shí)現(xiàn)振子天線與傳輸線之間的匹配，兩者之間要加平衡轉(zhuǎn)換器[4]。本文主要研究P波段天馬望遠(yuǎn)鏡饋源安放位置及其性能，平衡轉(zhuǎn)換器在后續(xù)整個(gè)接收系統(tǒng)搭建時(shí)接入。圖3是兩個(gè)方向天線的回波損耗，以及兩個(gè)方向的天線在一個(gè)饋電另一個(gè)匹配時(shí)產(chǎn)生的電磁耦合。

x、y兩方向的振子天線垂直放置，因饋電方式不同將產(chǎn)生不同的極化方式，本文主要研究P波段天馬望遠(yuǎn)鏡的軸向偏焦性能，在確定軸向偏焦位置時(shí)，為了降低設(shè)計(jì)難度，只研究一個(gè)方向天線的輻射性能。

圖3振子天線性能參數(shù)

Fig.3Performance parameters of the dipole antenna

天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦位置研究，主要難點(diǎn)是振子天線位置的確定。在確定天馬望遠(yuǎn)鏡主焦位置前，先做如下的驗(yàn)證。將單方向的振子放在理想反射面處，理想反射面是直徑為6.5 m的圓形，投影面積等于天馬望遠(yuǎn)鏡副反射面的投影面積,創(chuàng)建模型如圖4。

不加反射面時(shí)振子天線的方向圖如圖5，天線最大增益2.55 dB。

在圖4加反射面的情況下，得出振子天線的輻射方向圖如圖6。

從圖6可得到振子天線經(jīng)理想反射面反射后形成的輻射方向圖，天線最大增益7.6 dB。對(duì)比可以得到，振子天線在經(jīng)過反射面反射后增益增加。

圖4振子與理想反射面模型

Fig.4The vibrator and the ideal reflecting surface model

圖5　振子天線輻射方向圖

圖6天線與理想反射面協(xié)同輻射方向圖

Fig.6The collaboration radiation pattern of the antenna and the ideal reflecting surface

將振子天線與理想反射面協(xié)同作為整體得到的方向圖導(dǎo)入天馬望遠(yuǎn)鏡主面仿真，整體模型如圖7(a)。得到的結(jié)果如圖7(b)。

圖7(a) 振子天線副面協(xié)同模型圖；(b) 天線方向圖

Fig.7(a) The collaboration model of the sub-reflector surface; (b) The pattern of the antenna

圖7的天線方向圖可以說明振子天線在距離理想反射面λ/4時(shí)，可得到定向性不錯(cuò)的輻射方向圖。若將理想反射面轉(zhuǎn)換成天馬望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際副面，經(jīng)過上面的分析可以得出該方法可實(shí)現(xiàn)，通過該方法可以對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡在P波段的軸向偏焦進(jìn)行研究[6]。

2　天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦位置研究

2.1天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦位置的確定

對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡P波段軸向偏焦位置研究，該波段的饋源位置不同于天馬望遠(yuǎn)鏡已有波段饋源位置。結(jié)合上文，將理想反射面換成天馬望遠(yuǎn)鏡實(shí)際副面，建立振子天線與副面的結(jié)構(gòu)模型，如圖8。

圖8振子天線副面位置圖

Fig.8Sub-reflector of the dipole antenna

圖9振子天線與副面協(xié)同方向圖

Fig.9Dipole antenna with a negative synergy pattern

將圖9振子天線輻射方向圖導(dǎo)入天馬望遠(yuǎn)鏡，協(xié)同天馬望遠(yuǎn)鏡主面仿真設(shè)計(jì)，得到天馬望遠(yuǎn)鏡方向圖如圖10。從圖10中，得到天線的最大增益45 dB，第一副瓣3.3 dB，此時(shí)天馬望遠(yuǎn)鏡P波段的效率為64.25%，天線輻射性能良好。

基于此振子天線在距天馬望遠(yuǎn)鏡副面頂點(diǎn)位置235 mm時(shí)，可作為天馬望遠(yuǎn)鏡的饋源，實(shí)現(xiàn)P波段軸向偏焦研究，進(jìn)而開發(fā)天馬望遠(yuǎn)鏡P波段的接收系統(tǒng)。

2.2天馬望遠(yuǎn)鏡P波段振子天線安裝時(shí)造成的影響

P波段振子天線作為饋源安裝時(shí)，因安裝問題難免出現(xiàn)誤差，影響天線的輻射性能。主要的安裝問題有，安裝位置不在235 mm處，出現(xiàn)安裝容差；振子天線擺動(dòng)，產(chǎn)生擺動(dòng)容差等因素將影響天線的接收效率[7]。

圖10天線輻射方向圖

Fig.10Radiation pattern of the antenna

2.2.1振子天線安裝位置的浮動(dòng)造成的影響

振子天線作為饋源，在安裝時(shí)，難免產(chǎn)生安裝誤差，造成振子天線安裝位置不可能正好在距副面頂點(diǎn)235 mm處。經(jīng)多次調(diào)試，圖11是振子天線分別安裝在距副面頂點(diǎn)230 mm、235 mm、240 mm 3個(gè)不同位置時(shí)，天線的輻射性能[7]。

圖11振子饋源距離副面不同位置時(shí)的輻射方向圖

Fig.11The radiation pattern with different distance between the vibrator feed and the sub-reflector

經(jīng)多次調(diào)試，天線的最大增益為45 dB。在振子距副面頂點(diǎn)分別230 mm和240 mm時(shí)，天線增益下降約為0.1 dB，在滿足一定的條件下，振子天線距副面頂點(diǎn)的范圍可在230～240 mm之間，天線效率變化范圍62.21%～64.25%，如表1。從表1可以看出在一定的觀測(cè)要求下，對(duì)天線的接收性能造成的影響可以接受。

2.2.2振子天線安裝位置擺動(dòng)造成的影響

振子在安裝時(shí)，難免會(huì)產(chǎn)生一定的擺動(dòng)。擺動(dòng)幅度的大小直接影響了天線的方向圖以及接收效率。本文P波段振子天線作為饋源，振子天線在兩個(gè)相互正交的方向上安裝，因固定裝置的作用，能很好地保證振子天線在x、y方向上相互垂直(如圖2)，但是在豎直方向可能產(chǎn)生擺動(dòng)。如圖12。

天線擺動(dòng)的情況有多種組合，(1)x方向的振子天線擺動(dòng)±θ，y方向振子保持水平；(2)y方向的振子天線擺動(dòng)±θ，x方向振子保持水平；(3)x、y方向均擺動(dòng)一定的角度。但是天線在各個(gè)方向上的擺動(dòng)都是相互獨(dú)立的，為了簡(jiǎn)單起見，只討論天線在一個(gè)方向上最大擺動(dòng)范圍，只要振子天線在該方向能滿足一定的要求，而另一個(gè)方向上的天線也保持在該擺動(dòng)范圍內(nèi)，就能得到很好的結(jié)果，實(shí)際安裝時(shí)擺動(dòng)帶來的影響，將會(huì)在后續(xù)實(shí)際安裝時(shí)測(cè)試。圖13是在θ取不同值時(shí)，天線的輻射方向圖。

表1振子天線距副面不同位置時(shí)的天線增益

Table 1The antenna gain with different sub-reflector distance

距副面頂點(diǎn)距離/mm天線增益/dB天線效率/%23044.900062.7923545.000064.2524044.907262.21

圖12振子天線因安裝產(chǎn)生的擺動(dòng)示意圖

Fig.12A swing schematic of the dipole antenna caused by installation

圖13振子天線擺動(dòng)3種不同角度下的方向圖

Fig.13Three different swing angles of the dipole antenna

從圖13可以看出，當(dāng)振子天線擺動(dòng)角度在45°時(shí)，天線的方向圖產(chǎn)生畸變，最大增益變成42.975 5 dB，輻射性能急劇下降。當(dāng)振子天線擺動(dòng)角度為15°時(shí)，天線的第一副瓣出現(xiàn)較早，天線的增益為44.686 7 dB，天線的效率較低。當(dāng)振子天線擺動(dòng)角度為10°時(shí)，天線增益為44.861 1 dB，天線效率60%，此時(shí)天線的零深較小，在一定的范圍內(nèi)能夠滿足接收要求。因此，在安裝時(shí)，盡量保證x、y方向的振子天線在豎直面內(nèi)擺動(dòng)幅度小于±10°。

3　P波段振子天線的安裝對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡已有波段的影響

天馬望遠(yuǎn)鏡工作原理符合物理光學(xué)法，是由副反射面對(duì)饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行的一次反射，將電磁波反射到主反射面上，然后再經(jīng)主反射面反射后獲得相應(yīng)方向的平面波波束，以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射。但是由于振子天線安裝在副反射面下方，當(dāng)天馬望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有的8個(gè)波段工作時(shí)，將產(chǎn)生二次遮擋，因此遮擋效應(yīng)對(duì)已有頻段的信號(hào)接收會(huì)產(chǎn)生影響。

本文P波段振子天線工作頻率為305～345 MHz，中心頻率325 MHz，振子天線的總長度為422 mm。圖14是振子天線安裝位置圖。

在x、y方向的振子天線，以及振子天線的固定裝置都有一定的遮擋，由于振子天線距離副面位置只有235 mm以及固定裝置的遮擋面積很小，總的遮擋面積約為0.004 22 m2，引起的增益損失為0.000 012 dB，對(duì)已有波段饋源的影響非常小，在一定的觀測(cè)情況下可以忽略不計(jì)。這樣在不同頻段觀測(cè)時(shí)，P波段振子天線不用拆卸，不會(huì)減小已有波段饋源觀測(cè)時(shí)的轉(zhuǎn)換效率[8]。

圖14整體模型示意圖

Fig.14The overall schematic diagram

4　結(jié)　論

[1]斯蒂芬. 接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 康士棣, 譯. 北京: 中國宇航出版社, 1991.

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[5]閆潤卿, 李英惠. 微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 4版. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004.

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[7]劉慶會(huì), 賀慶寶, 鄭鑫, 等. 天馬望遠(yuǎn)鏡在嫦娥三號(hào)測(cè)定軌VLBI觀測(cè)中的應(yīng)用分析[J]. 中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué), 2015, 45(3): 1-9.

Liu Qinghui, He Qingbao, Zheng Xin, et al. Analysis of VLBI observation for Tianma radio telescope in Chang′E-3 orbit determination[J]. Scientia Sinica: Physica, Mechanica & Astronomica, 2015, 45(3): 1-9.

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A Study of the Axial Defocusing of Tianma P-band Radio Telescope

Liang Zhangang1,2, Li Bin1, Sun Xin1,2, Jia Ru1,2

(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China, Email: mingqinglzg@163.com;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Tianma telescope is a real surface altazimuth radio telescope with a diameter of 65m. Its post-fed, low-temperature and low-noise receiving system collects the signal collimated by the shaped parabolic main-reflector and the double curved sub-reflector. This paper studies the axial defocus effect of Tianma so as to improve its receptivity at low frequencies. A P-band dipole antenna, placed 1/4 wavelength beneath the sub-reflector, is used as the feed of the receiver to explore the performance of Tianma telescope at low frequencies. This paper is divided into three parts: the design of the P-band dipole antenna, the optimization of the axial feed defocusing position and analysis of its observed performance. Results suggest that the maximum gain of the dipole antenna is 45dB, with a high efficiency of 64.25%.

Tianma 65m telescope; P-band; (1/4)λ; The axial feed defocusing position

國家自然科學(xué)基金 (11473060, 11590784) 資助.

2016-01-31；

2016-03-14

梁占剛，男，碩士. 研究方向：微波無源器件. Email: mingqinglzg@163.com

P111.44

A

1672-7673(2016)04-0498-08

CN 53-1189/PISSN 1672-7673