杜　彪，伍　洋，張一凡，劉國璽

(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)

?

大口徑反射面天線技術綜述

杜彪1,2，伍洋1,2，張一凡1,2，劉國璽1,2

(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)

摘要：大口徑反射面天線是射電天文觀測和深空探測的關鍵設備之一。介紹了國內外大口徑反射面天線的發(fā)展現狀，描述了幾個代表性大口徑天線的主要指標和技術特點，重點論述大口徑反射面天線的微波光學設計、饋源網絡、頻段切換、結構型式選擇與保型設計、高精度面板設計與制造、主動反射面和伺服控制等關鍵技術及實現方法，最后給出了其技術發(fā)展方向。

關鍵詞：射電望遠鏡；反射面天線；饋源網絡；保型設計

0引言

隨著對宇宙探索的不斷深入，對天線系統(tǒng)的靈敏度和分辨率要求越來越高。為了提高天線的靈敏度和分辨率，需要增大天線的有效接收面積和降低天線系統(tǒng)的噪聲溫度，而大口徑反射面天線是增大天線有效接收面積的有效途徑之一。天線的高效率、低噪聲溫度和高指向精度等指標一直是人們追求的目標。隨著計算機、電子等科技的進步，反射面天線諸多技術得到了較大發(fā)展，并助推了許多重大的科學探索和發(fā)現。

關于大口徑天線沒有嚴格的定義，本文將針對35 m口徑以上的全可動反射面天線，介紹其國內外發(fā)展現狀，詳細給出國內外具有代表性大口徑反射面天線的主要性能及特點，然后重點論述大口徑反射面天線的關鍵技術及解決方案，最后介紹其技術發(fā)展方向。

1大口徑反射面天線的發(fā)展現狀

射電天文觀測和深空探測應用需求推動了大口徑反射面天線技術的發(fā)展，世界上美國、德國、英國、澳大利亞、俄羅斯、意大利、中國等相繼建設了大口徑射電望遠鏡天線和深空站天線。由于大口徑反射面天線主要用于射電天文觀測和深空探測兩大領域，下面將介紹具有代表性的大口徑射電望遠鏡和深空站天線的基本情況、主要指標和技術特點等。

1.1　國外發(fā)展情況

1.1.1大口徑射電望遠鏡天線

上世紀50年代以來，英國、澳大利亞、德國、日本、美國、意大利等國相繼建成了Lovell 76 m (1958)[1]、Parkes 64 m(1961)[2]、Effelsberg 100 m (1972)[3]、野邊山45m(1982)[4]、Green Bank 100 m (2000)[5]和Sardinia 64 m(2012)[6]等射電望遠鏡。

(1)德國100 m射電望遠鏡

德國Effelsberg 100 m望遠鏡是世界上最經典、最優(yōu)秀的射電望遠鏡之一，迄今為止其設計理念還非常值得借鑒。它于1968年開始建造，1972年8月投入觀測。該望遠鏡采用標準格里高利天線形式，主面直徑100 m ，副面直徑6.5 m，工作頻率0.8～96 GHz，主反射面由17環(huán)2 372塊面板組成，接收面積7 854 m2，其中76 m以內為實面板，76~100 m為網面板，總表面精度為1 mm，指向精度為5″，整個天線重量為3.2×106kg，100 m望遠鏡的照片如圖1所示。

圖1　Effelsberg 100 m望遠鏡照片

該望遠鏡突出的特點是：首次在天線結構設計中采用了保型設計，主面精度優(yōu)于1 mm；首次將主動反射面技術引入天線的設計(用于副反射面設計，可校正主面的重力變形)，通過兩次升級后[7]，實現了在9 mm波段，效率η=45%；7 mm波段，效率η=40%；3 mm波段，效率η=18%。

由于望遠鏡采用標準格里高利天線型式，P和L頻段饋源和接收機放在第一焦點(主焦)，使用時副反射面中心區(qū)域面板打開，饋源從副反射面后面伸出到第一焦點。其他饋源放置在第二焦點的焦平面上，副反射面對準需要工作的饋源從而實現頻段切換。這種饋電與頻段切換方式原理簡單，易容納較多饋源，可靠性高，但會引起一定的增益損失和旁瓣升高。在40多年后的今天，對于從0.3～110 GHz全頻段覆蓋的應用，該饋電和頻段切換方案仍是一種簡單、高效、高可靠性的頻段切換方式。

(2)美國100 m射電望遠鏡(2000)[5]

美國GBT 100 m射電望遠鏡是世界最大的單口徑全可動射電望遠鏡，建造歷時12年，2000年開始投入天文觀測。該望遠鏡采用雙偏置標準格里高利天線型式，主反射面尺寸為110 m×100 m，但實際使用口面(投影口面)直徑為100 m，副面尺寸為8 m。由于采用偏置結構，避免了副反射面、饋源和支撐架對主反射面及饋源對副反射面造成的射線遮擋，增大了有效接收面積。工作頻率0.1～115 GHz，饋源與接收機分別位于第一焦點和第二焦點，主反射面由2 004塊主動面板組成，有效接收面積為7 854 m2，總表面精度為0.35～0.4 mm，指向精度為3″，整個重量為7 856 000 kg，GBT 100 m望遠鏡的照片如圖2所示。

圖2　GBT 100 m望遠鏡的照片

該望遠鏡突出的特點是：

采用雙偏置格里高利天線型式，主反射面沒有遮擋，有效接收面積最大；

主反射面采用了主動調整系統(tǒng)，以克服隨仰角變化時重力變形引起的面形精度降低，從而保證高頻觀測所需的面型精度；

最高工作頻率為115 GHz，配備有高性能(多波束)接收系統(tǒng)。

1.1.2大口徑深空站天線

世界上深空網的大天線主要是30 m級(32 m、34 m和35 m)和60 m級(64 m和70 m)的天線，國外主要分布在美國、俄羅斯、澳大利亞、西班牙、日本和印度等國家[8]。深空站天線與射電望遠鏡天線的不同之處是增加了發(fā)射功能，工作頻段為S、X和Ka三個頻段。下面重點介紹美國70 m深空站天線。

美國DSN 70 m天線[9]是1989年由64 m天線升級而成的，是深空網中口徑最大的天線，該天線于1966建成，位于加利福尼亞戈爾德斯頓深空站，采用卡塞格倫天線型式，主反射面口徑是64 m，副反射面直徑為6.09 m(后升級到8 m)，工作頻段為S頻段(2.11～2.12 GHz發(fā)射和2.29～2.3 GHz接收)，后來升級到X頻段(7.145～7.19 GHz發(fā)射和8.4～8.45 GHz接收)，計劃未來升級到Ka頻段(34.2～34.7 GHz發(fā)射和31.8～32.3 GHz接收)。主反射面由552塊面板組成，在45°仰角下總表面精度為1.22 mm，后來升級到0.65 mm。

該天線突出的特點是：采用卡塞格倫天線型式，L、S、X、Ka四個頻段饋源位于第二焦點饋電，S、X、Ka三個饋源的相心放置在第二焦點的焦平面內一個圓周上，圓的半徑為1.08 m，圓心與天線的第二焦點重合。頻段之間的切換采用副反射面繞天線的對稱軸旋轉方式實現。

為了實現S和X兩個頻段同時工作，后來采用了雙色性反射饋源系統(tǒng)進行饋電，它由S和X頻段兩套饋源、一個雙色平面鏡和一個橢球反射鏡組成。X頻段饋源發(fā)射或接收的電磁波信號可透過雙色平面鏡給副反射面饋電或接收副反射面反射的信號；S頻段信號經雙色平面鏡反射后射向橢球反射鏡再聚焦到S頻段饋源。

1.2　國內發(fā)展情況

1.2.1大口徑射電望遠鏡天線

我國的射電天文研究起步較晚，僅在20世紀八、九十年代建成了2部25 m和一部13.7 mm波射電望遠鏡。近年來，隨著綜合國力的增強以及科技實力的進步，我國的射電天文事業(yè)開始蓬勃發(fā)展。目前，我國已建成性能優(yōu)良的昆明40 m[10]和北京50 m射電望遠鏡天線[11]以及上海65 m天馬望遠鏡[12]，在中國的月球探測和宇宙研究中均發(fā)揮了重要作用。

2006年建成的密云50 m射電望遠鏡是當時國內最大的射電望遠鏡，采用前饋拋物面天線型式，其反射面30 m為實面板，30~50 m為網面板。50 m天線工作于L、S、X和Ku四個頻段，采用旋轉饋源方式實現頻段切換，天線效率優(yōu)于50%。

上海65 m天馬望遠鏡是總體性能世界排名第四、亞洲第一的全可動射電望遠鏡，設計和建造歷時近4年，于2012年10月建成。采用賦形卡塞格倫天線型式，工作頻率1.25～46 GHz(L、S、C、X、K、Ku、Ka和Q八個頻段，其中S/X和X/Ka雙頻工作)，天線口徑為65 m，高度70 m，重約2 700 000 kg，反射面精度小于0.3 mm，天線效率優(yōu)于45%(46 GHz)，指向精度優(yōu)于3 arcsec。主反射面由14環(huán)1 008塊高精度面板組成，接收面積為3 318 m2，副反射面直徑6.5 m，采用六桿并聯系統(tǒng)實現了其5個自由度高精度調整,天馬望遠鏡照片如圖3所示。

圖3　上海65 m天馬望遠鏡

該望遠鏡突出的特點是：

采用了賦形雙反射面天線最佳吻合反射面的計算方法，提高了整個工作范圍內的天線效率；

主反射面采用了主動調整系統(tǒng)，以克服隨仰角變化時重力變形引起的面形精度降低，從而保證高頻觀測所需的0.3 mm面型精度；

采用了全軌道高精度焊接技術，42 m直徑軌道的不平度小于0.45 mm；

采用了大尺度高精度面板設計與制造技術，主面單塊精度小于0.1 mm，副面單塊精度小于0.05 mm；

采用了六桿并聯機構調整技術，實現了副反射面的高精度實時調整和L頻段功能切換。

1.2.2大口徑深空站天線

在深空探測領域，我國已分別在佳木斯和喀什建成了66 m和35 m深空站天線。兩部天線均采用卡塞格倫形式，波束波導方式饋電。35 m天線采用全實面板，工作頻段為S/X/Ka，其中Ka頻段僅有接收功能；66 m天線采用實面板和網面相結合方案，工作頻段為S/X頻段。66 m天線照片如圖4所示。

圖4　66 m天線照片

2關鍵技術

2.1　微波光學設計

射電望遠鏡天線要求具有極高的靈敏度，即有效接收面積越大，噪聲溫度越低，望遠鏡性能越好。微波光學設計的重點就是如何提高給定口徑天線的效率、降低天線的噪聲溫度，主要包括天線與饋電形式選取、幾何參數的確定和反射面賦形等設計內容。

天線與饋電形式是決定天線可實現性能最重要的因素之一[13],天線形式主要取決于工作頻率、性能、成本和饋電方式等因素。反射面天線從結構上，可分為正饋(旋轉對稱結構)和偏置饋電兩種，每種又可分為單反射面和雙反射面天線兩種。旋轉對稱反射面天線優(yōu)點在于光學設計相對簡單，且結構設計和制造的成本較低，這一點對于大口徑反射面天線尤其重要。缺點是饋源和副反射面(雙反射面天線)及其支撐會對反射面造成遮擋，造成增益損失和遠旁瓣升高。大口徑反射面天線通常選擇賦形格里高利和卡塞格倫天線，格里高利天線更容易實現前饋和后饋照射。饋電形式主要考慮饋源形式、數量和饋源倉空間等因素，其具體方法詳見2.3節(jié)。

幾何參數的選取主要包括照射角、主反射面焦徑比、主副鏡直徑比等。照射角的選擇主要考慮與饋源的匹配和對天線波束掃描性能的影響。饋源的波束寬度需要與天線的照射角相匹配,波束過寬將導致能量漏失過多，過窄則會降低天線的口面利用效率，二者均不利于天線高效率的實現。反射面的焦徑比與照射角相關，天線的焦徑比越小，其波束指向對饋源的橫向偏焦越敏感。反射面天線是準光學系統(tǒng),而反射面電大尺寸是準光學成立的重要條件。一般來說,為實現較高的截獲效率,副反射面的尺寸需要達到25個波長以上，一般副面直徑與主面直徑比取≤0.1即可。

反射面天線賦形設計的關鍵是口徑場分布函數的選擇，口徑場分布決定了天線的輻射特性。一般來說,天線口徑的場分布越均勻，天線的增益越高，相應的旁瓣也越高，導致天線接收到更多的環(huán)境噪聲溫度，而靈敏度與天線的增益和噪聲均密切相關，因此，口徑場分布函數應以天線靈敏度最優(yōu)進行優(yōu)化獲得。

2.2　饋源網絡技術

饋源網絡是反射面天線的心臟，其性能好壞對天線性能有著決定性的影響。由于波紋喇叭能在一個倍頻程內具有旋轉對稱的輻射方向圖、低回波損耗和低交叉極化等優(yōu)良性能，常常用作反射面天線的饋源。

由于射電天文和深空探測都要求天線工作在多個頻段上，饋源工作頻段的擴展、數量的減少將大大增強整個系統(tǒng)的工作能力，并降低運行維護成本，因此多頻段共用和超寬帶饋源網絡一直是大口徑反射面天線的關鍵技術之一。此外，由于同時觀測多個目標和大視場觀測的需要，對多波束饋源的需求也越來越迫切。

多頻段饋源主要有共噴口饋源和組合饋源兩種。前者多個頻段同時共用一個饋源，即共用一個喇叭口接收和發(fā)射各頻段信號，然后利用微波網絡進行頻段和極化分離，其常用波紋喇叭來實現，可采用的波紋槽形式有雙槽結構[14]、雙槽深[15]和環(huán)加載槽[16]。組合饋源是指各個頻段用各自輻射口接收和發(fā)射信號，即各頻段信號走自己的通道。常見的組合饋源有兩種饋源：一種是中心喇叭加周圍4個拼陣喇叭[17]；另一種是中心喇叭加外面同軸喇叭[18]。組合饋源適用高頻段與低頻段比值較大的情況，如4∶1以上，同時照射角較大。

由于傳統(tǒng)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。若其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，超寬帶單波束饋源主要有Eleven Feed饋源[19]、QSC (Quasi-Self- Complementary)饋源[20]、Sinuous饋源[21]和四脊喇叭(Quad-Ridge Flared Horn)[22]等。就輻射機理而言，除四脊喇叭外，其余饋源均采用非頻變天線設計理念。Eleven饋源和QSC饋源借鑒了對數周期天線的設計，并在饋電端引入金屬反射板，將天線的相位中心穩(wěn)定在饋電點附近。采用非頻變天線設計的優(yōu)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，缺點是天線需要四端口甚至八端口饋電，即需要4個或8個放大器，其一致性難于保證，如采用2個端口饋電，寬帶平衡饋電較難實現。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，因此天線在某些頻點及高頻段的性能不可避免地劣化。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，尤其是通過優(yōu)化設計后，其照射效率可在70%以上，且在整個頻帶內波動較小。因此，它將是超寬帶饋源的首選之一。

多波束是饋源網絡技術的另一個發(fā)展方向，采用多波束觀測是擴大射電望遠鏡視場、提高巡天速度的最直接的途徑。以往主要通過增加饋源數量的方式實現多波束，這一方案的主要缺點在于：受饋源物理尺寸的限制，各饋源相位中心相距較遠，因此波束間隔較大，無法實現連續(xù)的天區(qū)覆蓋。同時，偏離焦點的焦面場與饋源口面場失配，導致偏軸波束性能下降。而新興起的相控陣饋源[23]可以很好地解決這些問題。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，與傳統(tǒng)的多波束饋源相比，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。還能夠通過適當賦權的波束合成,提高望遠鏡口徑效率，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。目前國際上主要有荷蘭ASTRON、美國BYU/NRAO、澳大利亞CSIRO和加拿大NRC等國的研究機構在進行相控陣饋源技術研究。此外，我國也正在以500 m球面射電望遠鏡(FAST)為對象，開展了研究工作。

對于大口徑反射面天線的饋源網絡而言，低噪聲放大器和制冷杜瓦的設計也十分重要。低噪聲放大器是系統(tǒng)噪聲的主要貢獻之一，其噪聲與自身特性、與饋源網絡的匹配以及工作溫度密切相關，因此常常制冷到極低的溫度。對于不同的饋源網絡而言，如何設計使阻抗與低噪聲放大器匹配，以及與饋源網絡結構相適應的制冷杜瓦，都十分重要。

2.3　頻段切換技術

由于單個饋源的帶寬有限，難以滿足天線工作需要，大口徑反射面天線往往同時配有數個饋源。而各個頻段饋源大小不一，饋源相心距口面距離差異較大，同時需要考慮饋源和接收機制冷及線纜纏繞問題，在無遮擋的有限空間內，使每個頻段饋源工作時其相心準確置于焦點位置，這就需要選擇一個合理的饋電方案和頻段切換方式。饋電和換饋方案選取的原則在于用合理的結構來實現良好的電氣性能。目前國內外采用的頻段切換方式有以下幾種：

① 偏焦饋電與副反射面偏轉方式，如德國埃菲爾伯格100 m天線；

② 偏焦饋電與旋轉二次賦形副反射面方式，如VLA 25m、VLBA 25 m天線；

③ 旋轉饋源饋電方式，如美國GBT 100 m天線、上海65 m天線；

④ 爬升饋源饋電方式，如烏魯木齊25 m天線；

⑤ 波束波導饋電方式，如美國的深空網34 m天線；

⑥ 幾種方式結合使用，如意大利的SRT 64 m天線。以上方法各有優(yōu)缺點，可大體分為以下幾類：

饋源的移動可以使得單個饋源的相位中心處于天線焦點位置，如旋轉和爬升饋源饋電方式，因此電氣性能比較容易保證。但是饋源旋轉方案會帶來線纜纏繞問題，同時后端接收機、制冷設備也要隨饋源網絡一起運動，對各個設備的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

波束波導饋電避免了饋源網絡及相隨設備的運動，不需要解決線纜纏繞問題，但各個反射面、頻率選擇表面會導致增益損失和噪聲溫度的提高。

偏焦饋電與副反射面偏轉方案結構簡單，可靠性高，但電氣性能有一定損失。

偏焦饋電與旋轉副面方案通過對副反射面進行二次賦形，使其焦點偏離主面對稱軸，當副面旋轉時其焦點軌跡為一圓周，各個饋源相心位于該圓周上，從饋源發(fā)射的射線經副面反射后，到達主面時的光程相等，從而在不影響電氣性能情況下實現了頻段的切換，但副反射面需要增加一個自由度。

各種頻段切換技術各具特點，需要結合天線具體應用及饋源形式、體積和數量來進行選擇。

2.4　結構型式選擇與保型設計技術

結構型式選擇與天線保型設計[24]有著密切的關系。合理的選型能大幅提高天線的性能，例如在同等重量下，一個40 m級口徑的天線，采用保型設計的天線結構，其性能可提高約20%。

大口徑反射面天線的結構型式主要有中心支撐、邊緣支撐、偏置結構支撐和等柔性支撐等幾種型式。等柔性支撐型式的設計宗旨是天線采用分層的光滑支撐，消除各硬點連接，避免結構剛度的不連續(xù)性。大口徑反射面天線采用何種結構型式主要跟饋電方式和饋源倉容量等因素有關，但等柔性支撐設計理念應貫穿于整個結構設計之中。

大口徑反射面天線的保型設計技術最初只應用在前饋拋物面天線上。其設計思想是用一個新的拋物面來代替原來的設計拋物面，該新拋物面是通過與變形反射面之間的均方根法向誤差最小求得，被稱為最佳吻合拋物面[25]。隨著反射天線技術的發(fā)展，保型設計技術已被賦予了新的含義，主要包括兩個方面內容：一是賦形雙反射面天線最佳吻合反射面的計算方法[26]，該方法就是通過平移和旋轉一個新的反射面，去吻合變形的主反射面，通過等光程條件，使其和變形面的均方根法向誤差最小，即可求得最佳吻合反射面，此時饋源和副反射面同時要平移和旋轉到其相應位置。二是廣義的結構保型設計，其主要涉及主動反射面技術(見2.6節(jié))、面板與背架及背架與俯仰機構之間等柔性連接設計、強力通風或溫控技術等方面。

2.5　高精度面板設計與制造技術

反射面天線的面形精度是影響天線性能的重要因素。為保證天線在高頻段的性能，反射面的面形精度要求為天線工作波長的130，對應的面板單元精度要求優(yōu)于更高。面板制造的困難主要有兩點：

首先，天線單塊面板的平均面積大。為減少面板數量，降低安裝工作量和面板縫隙對天線性能的影響，單塊面板的面積希望盡量大一些，而面積的增大將增大面板制造的難度；

其次，為提高面形精度，大口徑反射面天線常常采用主動反射面技術，因此面板的每個角都必須能夠承受促動器千萬次的牽引，這對面板的可靠性提出了更高的要求。而能否制造出大尺度(面積盡可能大)、高精度、高可靠度的面板，是天線研制的技術瓶頸之一。

射電望遠鏡天線主要有5種高精度面板形式[27]，其主要制造方法有：① ALMA(歐洲)12 m亞毫米波望遠鏡陣列和LMT 50 m毫米波望遠鏡鎳蒙皮鋁蜂窩夾層面板，面板精度8 μm，但工藝復雜、生產效率低、成本高；② KOSMA 3 m亞毫米波望遠鏡和ALMA(日本)以實體鋁合金為毛坯的精密數控加工的面板，面板精度5～8 μm，但需要精密數控銑床，面板較重，不適合大型射電望遠鏡天線；③ IRAM 15 m和NRO 45 m毫米波望遠鏡碳纖維鋁蜂窩夾層面板，面板精度25～50 μm，重量輕，但成本高；④ 基于“點陣釘模、真空負壓、蜂窩夾層”原理的雙層鋁蜂窩夾層結構面板成形技術，面板精度25 μm、剛度大、成本低，但不能用于主動反射面；⑤ 基于“包絡模具、蒙皮開縫、應力釋放、真空負壓”原理的面板精密成形技術和制造方法，面板精度50～100 μm，適合用作大型射電望遠鏡天線主動反射面面板。

2.6　主動反射面技術

經驗表明，重力變形和不均勻熱變形是影響天線反射面精度的主要因素，保形設計雖然能夠減小這方面的影響，但畢竟有其局限性。天線主面變形很難滿足高頻段工作對主面精度的要求，從而使天線的效率大大降低，天線性能變差。

1990年開始，GBT[28]、LMT等天線開始采用主動反射面技術以改善主反射面的變形，擴展天線的高頻工作能力。后來的NOTO、SRT、上海天馬65 m射電望遠鏡天線等均采用了主動反射面技術。

主動反射面技術就是根據反射面誤差模型，通過促動器運動彌補各反射面單元的變形，從而使整個反射面達到期望的精度要求。

該技術不僅對反射面單元的精度、強度和可靠度提出了更高的要求，而且，促動器的定位精度、可靠性和電磁兼容性也是需要解決的難題。

反射面形變誤差修正模型主要分為3類，一類是開環(huán)模型，模型參數來自于FEA分析結果或攝影測量數據，這些數據的建立多被應用于主動面修正的初始階段。第2類是半閉環(huán)模型，模型參數來自于射電全息測量結果，但經典的射電全息或偏焦全息方法并不能與觀測同步進行，無法得到實時的測量結果，而且由于測量占用觀測時間不能頻繁進行，因此，該模型只能反映測量前后一段時間內的面形平均變化。第3類為實時閉環(huán)修正模型，修正數據來自于獨立面形精度測量系統(tǒng)的實時數據，誤差模型能反映天線在任意時刻的面形形變情況，能夠給出更為準確的修正數據。

目前，普遍應用的是一、二類修正模型，GBT雖然建立了獨立的實時激光測量系統(tǒng)[29]，但由于設備復雜、對環(huán)境要求較高等原因，尚未得到滿意的效果。未來，實時測量修正系統(tǒng)仍是主動面技術的難點和發(fā)展方向。

副反射面也存在變形問題，但由于其口徑較小，因而面形精度一般保持不變，其變形主要來自于其支撐結構變形導致的其空間位置和姿態(tài)的變化，這就需要副面調整機構來修正其位姿的變化。傳統(tǒng)的串聯型調整機構結構龐大復雜，較難得到高精度修正效果。目前，6桿并聯機構(HEXAPOD)已被采用，該機構由6根相同的推力桿組成，結構簡潔，具有6個自由度的空間運動范圍，可以通過對6根桿長的精確控制，使影響副面位姿的5個自由度同時得到精確修正。

2.7　伺服控制技術

隨著大口徑反射面天線工作頻率向更高的頻段擴展，對天線指向精度的要求也越來越高。以65 m 天線為例，在Q頻段(46 GHz)其半功率波束寬度為25 arcsec，要求天線的指向精度高達3 arcsec(理想環(huán)境條件)。而實現天線高指向的關鍵因素之一是伺服控制精度，要求為優(yōu)于2 arcsec。如此高的控制精度要求對大口徑天線伺服控制系統(tǒng)的設計和實現是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，數字化、高精度伺服控制技術就是大口徑天線的關鍵技術之一。

數字化、高精度伺服控制技術包括多電機驅動齒隙技術、高精度精度碼盤安裝技術以及全數字化符合控制器技術等。

天線驅動采用多電機驅動、施加力矩偏置的方式以消除傳動鏈的齒隙，消隙邏輯由多電機控制器完成[30]。

軸角編碼器一般采用光電碼盤，碼盤分辨率可以做到30位以上(二進制編碼)，但碼盤精度由于受到安裝和標定的制約，最高在1 arcsec左右。

為提高伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，展寬伺服帶寬、提高天線伺服控制系統(tǒng)的抗干擾性能，各種型式的伺服控制器被應用于工程實踐。目前射電望遠鏡主流伺服控制器設計仍以經典控制理論為基礎，其中傳統(tǒng)的PI控制器是最常見的控制策略。

為了提高系統(tǒng)響應速度，減小結構諧振對伺服控制性能的影響，前饋控制器和凹口濾波器作為常用的改進方案被用于各種設計之中。

為消除控制對象非線性環(huán)節(jié)的影響，在控制環(huán)路中引入命令預處理環(huán)節(jié)，根據系統(tǒng)的速度和加速度限制(非線性環(huán)節(jié))規(guī)劃天線的運動軌跡，減小天線超調和振蕩，使天線運行更加平穩(wěn)。

隨著控制精度要求的提高，陣風擾動等隨機誤差已成為影響高控制精度的主要因素，基于經典控制理論的傳統(tǒng)的控制方法受天線結構柔性和諧振影響，性能已很難再進一步提高。需要用基于現代控制理論的狀態(tài)反饋方法來設計LQG控制器，構造高頻諧振估計器，有效抑制了天線的高頻諧振。該控制器輸出主要由PI控制器對位置的控制輸出和諧振狀態(tài)估計器對諧振抑制的控制輸出兩部分組成。該控制器被應用于美國深空網70 m以及34 m的大口徑天線[31]，伺服控制系統(tǒng)獲得的帶寬達2 Hz；在10 m/s風力下，天線的伺服誤差僅為0.1 arcsec，獲得滿意的指向精度和抗擾動能力。

3未來技術發(fā)展

隨著科技的發(fā)展，人類的科學探索不斷向宇宙更深處發(fā)展，無論是射電天文還是深空探測，都需要更加靈敏、分辨率更高的天線。而增大口徑可以同時提高天線的接收面積和分辨率。目前世界上已經建有2臺100 m的全可動射電望遠鏡，我國正在為興建更大口徑的射電望遠鏡而積極準備。

更高的工作頻段也是大口徑反射面天線的一個發(fā)展方向。對深空探測而言，工作頻段的擴展意味著探測距離的增加，對射電天文而言將催生新的發(fā)現。因此，高面板精度和高指向精度反射面天線技術將是未來需要突破的難點。

超寬帶和多頻段技術應用不僅是大口徑反射面天線的發(fā)展方向之一，也是天線技術、射電天文技術的發(fā)展方向之一。因此，超寬帶和多頻段制冷饋源與接收機技術也是未來研究的重點。

擴大射電望遠鏡觀測視場，提高巡天速度也是射電望遠鏡天線重要需求之一，相控陣饋源技術也是射電天文技術未來的發(fā)展方向之一，其應用將賦予大口徑反射面天線更強的觀測能力。

單個大口徑天線的靈敏度和分辨率終究是有限的，因此，需要通過天線組陣及綜合孔徑技術來進一步提高望遠鏡的靈敏度和分辨率。由于組陣天線的靈敏度決定于天線的數量，分辨率決定于其基線的長度，因此數量更多、基線更長的天線陣列將承擔更多的科學探索任務。不僅可以中等口徑天線組陣(如平方公里陣SKA[32])，也可以大口徑天線組陣[33]。在追求更高的分辨率的道路上，空間VLBI組陣技術[34]將提供更高的分辨率。

4結束語

介紹了國內外大口徑反射面天線的發(fā)展現狀，詳細描述了國內外代表性大口徑反射面天線的主要性能及特點，然后重點論述大口徑反射面天線的關鍵技術及實現方法，最后介紹其技術發(fā)展方向。

大口徑反射面天線不僅可用于射電天文和深空探測研究，而且也可用于空間碎片探測、電離層觀測、衛(wèi)星導航頻譜檢測和衛(wèi)星與微波偵察與對抗等領域。

大口徑全可動反射面天線的設計、建造、運行和維護涉及電磁場與微波技術、低溫制冷、自動控制、結構與工藝、材料等多個專業(yè)學科，需要機電一體化和優(yōu)化設計、精密加工和準確安裝，以及長時間的調試和測試，許多關鍵技術還有待突破或完善。大口徑天線建造不僅是進行天文研究與深空科學探索的神兵利器，更是一個國家綜合國力的完美體現。

參考文獻

[1]http:∥www.jb.man.ac.uk/aboutus/lovell/.

[2]http:∥www.csiro.au/en/Research/Facilities/ATNF/Parkes-radio-telescope[DBOL].

[3]Wielebinski R.The Effelsberg 100-m Radio Telescope [J].Natural Sciences,1971,58(3): 109-116.

[4]Kaifu N.Nobeyama 45-m Telescope[C]∥URSI International Symposium on Millimeter and Sub millimeter Wave Radio Astronomy,Granada,Spain,1984: 5-10.

[5]Prestage R M,Constantikes K T,Hunter T R,et al.The Green Bank Telescope [J].Proceedings of the IEEE,2009,97(8): 1382-1390.

[6]Pelosi G,Tofani G.Sardinia Radio Telescope (SRT): Instrumentation Research and Development [J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2005,47(1): 178-180.

[7]Richard Wielebinski.The Construction and 40 Years of Astronomy 100-m Radio Telescope Effelsberg[C]∥2012年射電天文前沿技術研討會，南昌,2012:99-115.

[8]崔瀟瀟.國外深空測控網現狀與發(fā)展趨勢[J].國際太空,2009( 2): 23-26.

[9]Imbriale W A.Large Antennas of the Deep Space Network[M].New York: John Wiley & Sons,Inc,2003.

[10]施滸立,張巨勇.我國大天線的新進展[J].電子機械工程,2004,20(6): 21-24,50.

[11]鄭元鵬.50m口徑射電望遠鏡反射面精度分析[J].無線電通信技術,2002,28(5): 17-18.

[12]Du B,Zheng Y,Zhang Y,et al.Progress in SHAO 65m Radio Telescope Antenna [C]∥ 2013 International Symposium on Antenna and Propagation,Nanjing,2013:155-159.

[13]楊可忠,章日榮,楊智友.現代面天線新技術[M].北京：人民郵電出版社，1993.

[14]Du B,Zhang W J,Yang K Z.Dual-slot structure mode converter for L/C dual-band corrugated horn [J].Electronics Letters,2003,39(18): 1298-1299.

[15]李鵬,杜彪,劉肖萌.具有雙槽結構模變換器的雙頻段波紋喇叭[J].無線電通信技術,2014,42(2): 52-55.

[16]陳勇.多波段共面天線的研究[J].微波學報,2006,22(4):43-45.

[17]王永華,王萬玉.S/ X/ Ka 頻段天伺饋系統(tǒng)關鍵技術分析[J].電訊技術,2013，53(8): 1058-1063.

[18]Perov A O,Glamazdin V V,Skresanov V N.Design and Optimization of Tri-Band Coaxial Feed Horn for the Radio Telescope Antenna[C]∥International Conference on Antenna Theory and Techniques,16-20 September,2013,Odessa,Ukraine:210-215.

[19]Yang J.Preliminary design of Eleven Feed for SKA Band 1[C]∥ 31th URSI General Assembly and Scientific Symposium.Beijing,2014:172-176.

[20]Cortes-Medellin G.Non-planar quasi-self- complementary Ultra-wideband Feed Antenna [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(6): 1935-1944.

[21]Gawande R,Bradley R.Towards an Ultra Wideband Low Noise Active Sinuous Feed for Next Generation Radio Telescopes [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,59(6): 1945-1953.

[22]Akgiray A,Weinreb S,Imbriale W A.The Quadruple-ridged Flared horn: A Flexible,Multi-octave Reflector Feed Spanning f/0.3 to f/2.5[C]∥ 7th European Conference on Antenna and Propagation.Sweden,2013:768-769.

[23]伍洋，杜彪，金乘進,等.射電望遠鏡木月控陣饋源技術[J].電波科學學報，2013，28(2)：348-353.

[24]Hoerner S V.Design of Large Steerable Antennas[J]． Astronomical Journal，1967，72( 2) : 35-47．

[25]葉尚輝,李在貴.天線結構設計[M].西安：西安電子科技大學,1986.

[26]閆豐,杜彪.賦形卡式天線最佳吻合反射面的計算方法[J].無線電工程,2011,41(3): 38-40.

[27]金超,尉 飛,李金良,等.65m射電望遠鏡面板精密成形原理與應用[J].電波科學學報,2015， 30(1): 1-7.

[28]Srikanth S,Norrod R,King L,et al.An Overview of the Green Bank Telescope[C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,1999:112-117.

[29]Parker D H,Srikanth S.Measurement system for the Green Bank Telescope [C]∥IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2001:245-249.

[30]田景兵,張一凡.天線伺服系統(tǒng)多電機同步控制研究[J].無線電通信技術,2013,39(3): 50-52,82.

[31]Wodek G.Control and Pointing Challenges of Antennas and Telescopes [C]∥ American Control Conference June 8-10,2005:175-178.

[32]Dewdney P P,HALL P,Schilizzi R,et al.The Square Kilometre Array [J].Proc.IEEE,2009,97(8): 1482-1496.

[33]劉濤,陳志平,張巨勇,等.射電天文中大型望遠鏡陣列研究[J].電子機械工程,2013,29(6): 1-5,13.

[34]李海濤,周 歡,郝萬宏,等.深空導航無線電干涉測量技術的發(fā)展歷程和展望[J].飛行器測控學報,2013,32(6): 470-478.

Overview of Large Reflector Antenna Technology

DU Biao1,2,WU Yang1,2,ZHANG Yi-fan1,2,LIU Guo-xi1,2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;

2.Joint Laboratory of Radio Astronomy Technology,Shijiazhuang Hebei 050000,China)

Abstract：The large reflector antenna is one of essential equipments for radio astronomy and deep space exploration.This paper briefly introduces the development of large reflector antenna,presents the main specifications and technical characteristics of several typical large antennas around the world.The key techniques and solutions in design,manufacture and operation are discussed,including optics design,feed assembly,frequency band switching,structure type and homology design,high accuracy panel design and fabrication,active surface,and servo system.Finally,the technology trend of large reflector antenna is described.

Key words：radio telescope;reflector antenna;feed system;homology design

作者簡介：杜彪(1962—)，男，博士/研究員，中國電子科技集團公司第五十四研究所首席專家、副總工程師，中國電子學會高級會員，遙感遙測遙控分會常務委員、微波分會委員、射電天文分會委員,一直從事反射面天線、高效率饋源和陣列天線等新技術研究和產品研發(fā)工作，先后擔任澳大利亞SKA先導天線陣(ASKAP)、上海65 m天馬射電望遠鏡天線系統(tǒng)、SKA項目關鍵技術研究等重大項目的總設計師和負責人，獲部級科技進步獎、軍隊科技進步獎、國防科學技術獎、中國電子科技集團公司科技進步獎共5次；獲授權國家發(fā)明專利和實用新型專利20余項，在國內外刊物和學術會議上發(fā)表論文60余篇。伍洋(1984—),男，博士/工程師，主要研究方向：射電望遠鏡天線與饋源技術。

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2013CB837902)；國家自然科學基金項目(11261140641)

收稿日期：2015-11-01

中圖分類號：TN915

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-01-8

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.01

引用格式：杜彪，伍洋，張一凡,等.大口徑反射面天線技術綜述[J].無線電通信技術,2016,42(1):01-08.