韓玉兵　TRAN Vanha　湯蕾蕾　盛衛(wèi)星　仲洛清

(南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094)

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五百米口徑球面射電望遠鏡的相控陣饋源設計

韓玉兵TRAN Vanha湯蕾蕾盛衛(wèi)星仲洛清

(南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094)

摘要相控陣天線作為射電望遠鏡的饋源時可以擴大射電望遠鏡的視場,提高天空掃描速度和系統靈敏度.分析了相控陣饋源的陣列排布形式、陣列規(guī)模、陣元間距等參數對靈敏度的影響,并給出了設計一般相控陣饋源的基本方法.針對五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)的系統要求設計了一種工作在L波段的寬帶雙極化微帶偶極子相控陣饋源.相控陣系統采用制冷放大器時所設計的饋源滿足FAST系統性能指標.加工并測試了單個陣元的結果,與采用HFSS軟件仿真的結果相當吻合,驗證了所設計饋源的可行性.

關鍵詞相控陣饋源;五百米口徑球面射電望遠鏡;靈敏度;微帶偶極子

引言

射電望遠鏡是人類探索宇宙的重要科學儀器,傳統的射電望遠鏡利用單個天線或小型天線陣作為反射面的饋源.近幾年采用相控陣作為反射面的饋源成為新一代射電望遠鏡的關鍵技術之一.與傳統饋源相比,相控陣饋源有明顯的優(yōu)勢:同時能形成多個掃描波束,使視場增大并且連續(xù),從而提高天空掃描速度;對反射面變形進行補償;自適應抑制干擾;提高射電望遠鏡靈敏度[1].目前，已經有多個工作組針對不同的射電望遠鏡展開了多種相控陣饋源的研究與制作.2000年美國國家射電天文臺基于直徑43 m的Green Bank射電望遠鏡研制了19個螺旋天線相控陣饋源[2].2005年美國楊百翰大學射電天文組和美國國家射電天文臺合作展開了對相控陣饋源的深入研究,于2006年、2007年分別設計了7個和19個單極化偶極子饋源,并在20 m的Green Bank射電望遠鏡上進行了安裝和測試[3-4],2009年又完成了19個雙極化偶極子相控陣饋源的研制[5].加拿大的多明尼亞無線電天文物理天文臺基于Phased Array Feed Demonstrator系統發(fā)展了具有寬帶、雙極化的Vivaldi天線相控陣饋源[6].荷蘭射電天文研究所研制了Vivaldi天線相控陣饋源并安裝在Westerbork Synthesis Radio Telescope射電望遠鏡上[7].澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織基于Australian Square Kilometer Array Pathfinder項目發(fā)展了一種方形貼片天線陣,稱為“棋盤”相控陣饋源[8].

目前,中國貴州正在建造五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Te-lescope, FAST).建成后FAST將成為世界上最大的單口徑射電望遠鏡,其主要技術參數如表1所示[9].

表1　FAST的技術參數

FAST的饋源和接收機將覆蓋從70 MHz到3 GHz的頻段,共包括9組饋源,主要工作在L波段.FAST的L波段相控陣饋源的性能指標如表2所示.目前國內已經展開了一些相關的研究,文獻[10]采用圓喇叭天線,設計和制作了FAST的直徑30 m模型的L波段饋源;文獻[11]研究了一種加脊喇叭饋源;這兩篇文獻設計的饋源都是從饋源組的概念出發(fā),實現了多波束.文獻[12]從相控陣饋源系統的概念入手,研究和加工了19陣元短背射偶極子相控陣饋源,實現FAST系統的多波束.

研究和設計FAST的相控陣饋源,尤其是高性能相控陣饋源對FAST計劃進展有非常重要的意義.我們針對FAST相控陣饋源性能指標的要求設計了一種寬帶雙極化的微帶偶極子相控陣饋源.

表2　FAST L波段相控陣饋源的性能指標

1相控陣饋源系統

相控陣饋源系統模型如圖1所示,其工作原理為:天空射電波信號經過反射面反射,被放置在焦平面的陣列天線饋源接收后送至低噪聲放大器放大,通過接收機鏈進行下變頻、濾波、采樣,最后送至波束形成網絡進行加權求和,輸出波束[13].

圖1　相控陣饋源系統模型

波束形成器輸出信號可以寫成

y=wHv.

(1)

式中: w為波束形成系數; (·)H是共軛轉置變換.接收機鏈輸出的電壓v一般包括三個部分

v=vsig+vint+vn.

(2)

式中: vsig是天空感興趣信號電壓; vint是干擾信號電壓; vn是噪聲信號電壓,且各個信號互不相關.

信號的協方差矩陣為

Rv=E[vvH]

=Rsig+Rint+Rn.

(3)

式中:E[·]表示求矩陣協方差的運算; Rn為射電望遠鏡噪聲協方差,是系統歐姆損耗噪聲、接收機噪聲、天空噪聲、泄漏噪聲的協方差之和; Rint和Rsig分別為干擾協方差和感興趣信號協方差.接收機鏈輸出端電壓v和天線陣輸出的開路電壓voc關系為

v=gZR(ZR+ZA)-1voc.

(4)

式中:g為接收機的增益; ZR為低噪聲放大器的阻抗矩陣; ZA為陣列天線的阻抗矩陣.相控陣饋源系統輸出的信噪比為

(5)

式中,波束形成系數w由最大輸出信噪比準則確定,即

(6)

asig=vsig/‖vsig‖為感興趣信號的歸一化導向矢量.

描述射電望遠鏡性能的重要參數有3個：

1) 口徑效率

(7)

式中:kb是玻爾茲曼常數;Tiso是各向同性噪聲溫度;B是系統噪聲等效帶寬;Ssig是期望信號功率密度;Aphy是口徑的物理面積; Riso是陣列的外部各向同性噪聲電壓自相關矩陣[14].

2) 系統噪聲溫度

(8)

式中:Tsys的單位為開爾文溫度; Rt為陣列有損情況下系統各向同性熱噪聲信號電壓自相關矩陣.到達地球的射電信號信噪比一般為-26 dB,是非常微弱的信號,往往被淹沒在噪聲中,所以射電望遠鏡要求有特別低的系統噪聲溫度.降低系統噪聲溫度主要方法是對低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)進行制冷.

3) 靈敏度

反映系統可以檢測到最小信號的水平,系統靈敏度越高則能檢測到越微弱的信號.

(9)

式中：S的單位為m2/K；Aeff為在波束形成系數w下相控陣饋源照射到反射面的有效面積.從式(9)可知要提高系統靈敏度必須增大反射面有效面積或降低系統噪聲溫度.

2寬帶雙極化微帶偶極子饋源陣設計

2.1饋源陣設計

與傳統反射面天線饋源設計不同,相控陣饋源設計除了要確定饋源陣元之外還要確定陣列排布形式、陣元數目及陣元間距等.

1) 陣列形式以及波束排列:圖2是采用FAST參數計算平面波垂直入射到反射面天線時的焦面場分布情況.可見焦面場匯聚在焦點附近,呈波紋分布,形成不同的環(huán)焦和零陷.當饋源的口徑場和焦面場匹配時可以實現良好的接收效果[15].

相控陣饋源安裝在反射面的焦平面上,利用陣元對焦面場進行采樣,提取并還原焦平面場分布信息.文獻[16]證明了對于平面上一個圓形區(qū)域內的帶限信號,六邊形采樣是最優(yōu)采樣策略.

圖3為一個六邊形陣列的方向圖.從圖3可以看出六邊形陣列的方向圖能量也主要集中在圓形帶陷中心,具有六重對稱性.由圖2和圖3對比容易看出,六邊形陣列能夠很好地還原焦面場分布,實現良好的接收效果.圖4是FAST相控陣饋源的饋源排布和瞬時波束排列示意圖.

2) 陣元數目:圖5(a)是FAST的相控陣饋源不同陣元數目和系統靈敏度的特性曲線(圖中Nr表示六邊形陣列的圈數,參考圖4(a)).如果FAST的視場邊緣比正軸方向的靈敏度下降1dB,則在不同的陣元數下FAST的視場如表3所示.FAST視場要求為5.36WHPB×5.36WHPB.從表3可知滿足FAST視場要求陣列饋源至少8圈,而8圈以上口徑效率提高不明顯,都在90%左右.綜合衡量確定FAST的相控陣饋源規(guī)模為8圈,即217個陣元.

圖3　六邊形陣列方向圖

(a) 饋源排布示意圖

(b) 瞬時波束排列示意圖圖4　FAST的饋源排列及波束排列示意圖

(a) 不同陣元數FAST的靈敏度

(b) FAST系統靈敏度和陣列間距曲線

(c) 子陣在不同位置和滿陣FAST能實現的靈敏度圖5　不同饋源陣列參數FAST系統靈敏度曲線

3) 陣元間距:圖5(b)表示不同陣列間距下217陣元的FAST系統靈敏度,表4描述不同陣列間距下FAST的性能.可以看出不同的陣元間距FAST可實現的靈敏度和視場不同,因此存在最優(yōu)的陣元間距使得靈敏度達到最大值.如果滿足FAST視場要求的同時保持口徑效率比較高,相控陣饋源間距應取為d=0.65λ.

表3　不同陣元數FAST可實現的性能

表4　不同陣元間距FAST可實現的性能

4) 子陣確定:在FAST相控陣饋源系統中如果采用全部217個陣元合成波束會給波束形成網絡帶來巨大的數據處理量并且增加系統的復雜度和成本,因此采用子陣多波束技術,即考慮采用陣列的一部分陣元(子陣)形成一個波束.焦平面主極化場Eco分布的解析表達式是第一階貝塞爾函數[15]為

(10)

式中: E0是入射場的幅度; u0=krfsinθ0,rf為焦平面上的任一點.由文獻[17]分析可知焦面場的能量主要集中在第三個零陷之內(約95%).在一定允許范圍之內當陣列半徑等于第三個零點的位置時可以認為滿足接收信號要求.由式(11)解出第三個零點的位置為

d3null=1.62λ/sinθ0,

(11)

得FAST的子陣半徑為N3null=d3null/d=2.88≈3圈,即形成一個波束的子陣包括37個陣元.

圖5(c)是不同位置的子陣和滿陣的FAST可實現的靈敏度.可見采用子陣與滿陣合成的波束在視場邊緣的靈敏度幾乎重疊在一起,沒有太大的差別.雖然在視場范圍內,滿陣實現的靈敏度高于子陣,但是滿陣波束在視場中心和邊緣靈敏度有明顯的下降.而采用子陣形成的波束在視場范圍內靈敏度基本在同一個水平上,波束一致性好,靈敏度平穩(wěn),沒有很大波動,可見子陣形成多波束的綜合性能優(yōu)于滿陣.

綜合上面分析的結果,初步確定FAST相控陣饋源參數如表5所示.

表5　FAST相控陣饋源初步參數

2.2饋源陣元設計

相控陣作為射電望遠鏡的饋源時要求在有限陣列面積范圍內安裝較密集的陣元,從而導致陣元之間存在很強的耦合,互耦會使得陣元性能變差,增加系統噪聲溫度,降低系統靈敏度.因此,單元結構本身需要有隔離互耦的作用,而且陣元尺寸要盡可能小,從而可以增加陣元間距,減小互耦.為簡單起見,設計饋源陣元時采用了獨立阻抗匹配,即設計陣元的輸入阻抗和低噪放的最佳源阻抗相等.陣列中未考慮陣元之間的互耦導致和低噪放適配的影響.FAST相控陣饋源的陣元數量較多,設計時也得考慮到成本以及饋源腔所承受的重量.另外各個單元之間加工和安裝誤差也得考慮,保證陣元的一致性.

微帶偶極子具有重量輕、低剖面、批量加工且誤差小、便于組陣等優(yōu)點,已經被廣泛應用在各種通信系統中[18].設計一種寬帶雙極化微帶偶極子陣列作為FAST相控陣饋源,其結構如圖6所示,它由兩個單極化微帶偶極子天線垂直放置且單獨饋電形成雙極化效果.

微帶偶極子天線的基本結構包括三部分,中間是介質板,在介質板的一側是偶極子天線,另一側是耦合饋電的巴倫微帶線.由傳輸線理論有

(12)

式中:Za是將Zin變換為50 Ω的四分之一波長阻抗變換器的特性阻抗;Zb是微帶開路枝節(jié)的特性阻抗;Zab是振子兩臂之間開縫處的等效共面波導的特性阻抗;θa=θb=θab=90°是對應的微帶線電長度;ZL是偶極子的輸入阻抗.當微帶振子采用這種巴倫微帶饋電結構可以展寬帶寬到55%[19].只要調節(jié)巴倫尺寸就可以得到良好的匹配,實現較寬的帶寬.

設計的偶極子的兩個輻射臂往往跟水平線形成一個小于90°的傾斜角β來增加帶寬.偶極子上方加了一個引向器,以提高天線的增益.巴倫微帶線在中間進行彎曲處理:對偶極子1,將巴倫微帶線往上彎曲,對偶極子2則往下彎曲,這樣兩個巴倫微帶線正好可以交叉錯開放置而不會因為介質板中間開縫隙而被切斷.

根據FAST對饋源要求,選擇天線工作頻率為1.25 GHz.介質板采用厚度為1 mm的Arlon AD450,相對介電常數為4.5.天線的高度H略小于λ/4.使用HFSS進行建模仿真和優(yōu)化,最后微帶偶極子天線的尺寸為:W=38 mm,H=48 mm,D=34.5 mm,L=50.85 mm,S=2.3 mm,β=70°,Dh=25 mm,Dw=4 mm,Dl=90 mm,Ds=1.6 mm,lf=55 mm,wf=1.8 mm,la=4 mm,wa=0.9 mm,lb=30.5 mm,wb=0.9 mm,l1=4 mm,l2=7 mm.SMA選擇標準50 Ω的母頭.根據表5設計了37陣元雙極化微帶偶極子陣列模型.陣元被安裝在一個半徑為1.12λ,厚度為2 mm的圓形銅板上,如圖6(e)所示.

(a) 偶極子1的正面

(b) 偶極子1的背面

(c) 偶極子2的正面

(d) 偶極子2的背面

(e) 37陣元寬帶雙極化微帶偶極子陣列圖6　FAST寬帶雙極化微帶偶極饋源

3實驗結果與分析

3.1散射特性

我們對設計的寬帶雙極化微帶偶極子進行加工,測試了一個單元.圖7是加工的實物圖,圖8是測試結果.傳統定義天線的帶寬是回波損耗低于-10 dB的頻率范圍內,從圖8(a)可以看出雙極化微帶偶極子帶寬為500 MHz;另外極化隔離度在整個帶寬內基本優(yōu)于-30 dB,滿足FAST對饋源的要求.圖8(b)用散射矩陣二維圖描述陣列在工作頻點處散射特性.從中可以看出:對角線上元素表示每個陣元的回波損耗,都在-20 dB左右;非對角線元素表示各個陣元之間的互耦,元素值都低于-20 dB,說明陣元之間的互耦是比較弱的.

圖7　雙極化微帶偶極子實物圖

(a) 散射曲線

(b) 散射矩陣(在1.25 GHz)圖8　雙極化微帶偶極子散射特性

3.2輻射特性

對于反射面的單個饋源,饋源歸一化輻射方向圖的-11 dB寬度等于反射面張角時天線獲得最高的效率[20].對相控陣饋源來說陣列饋源照射到反射面的方向圖是由陣列中陣元方向圖疊加而成的,所以對單個饋源的照射電平不需嚴格追求達到最優(yōu),可以通過相控陣饋源激勵來調整,以形成最優(yōu)的照射波束,實現饋源對反射面的高效率照射.一般單元歸一化方向圖在反射面邊緣的照射電平稍微高于-11 dB為佳.圖9為所設計單個饋源的方向圖.

(a) 端口1激勵

(b) 端口2激勵圖9　雙極化微帶偶極子方向圖

從圖9可以看出設計的寬帶雙極化微帶偶極子饋源在FAST反射面邊緣角的照射電平為-12 dB左右.

3.3性能指標分析

設計的相控陣饋源需要以FAST系統最終性能來進行評估,我們將設計的寬帶雙極化微帶偶極子饋源陣列代入FAST系統中進行核算.相控陣饋源系統中系統噪聲溫度主要由第一級放大器引起,系統噪聲溫度的增加會使得系統各個部分性能下降.在射電望遠鏡系統中降低系統噪聲溫度的常用方法是將LNA致冷.仿真采用的LNA致冷參數如表6所示[1].波束形成采用最大輸出信噪比準則.作為比較,還計算了采用37陣元單極化圓柱偶極子陣列饋源時FAST的系統性能.圖10所示是采用這兩種饋源時FAST能實現的系統靈敏度,可見提出的寬帶雙極化微帶偶極子饋源能實現更高的系統靈敏度.

表6　LNA致冷參數

圖10　FAST可以實現的靈敏度

除了靈敏度,表7還比較了兩種饋源的系統噪聲、口徑效率和視場.從表7可知雙極化微帶偶極子饋源能實現更大的視場且視場內波動小,增益穩(wěn)定.因為焦面場電場成環(huán)形分布,各個環(huán)焦的能量不同,不同位置的陣元接收到的能量有差別,在面積相同的情況下,陣元數目增多能采樣到更多的信息,更好地在整個視場內還原焦面場.將表7和表2比較,可見設計的寬帶雙極化微帶偶極子饋源能滿足FAST系統的要求.

表7　單極化饋源和雙極化饋源比較

4結論

從相控陣饋源系統的概念入手,詳細討論了FAST反射面相控陣饋源的設計方法以及步驟.以射電望遠鏡的靈敏度作為目標函數確定陣列形式、陣元間距和陣元數目.在陣元設計方面,針對FAST射電望遠鏡項目設計了一種寬帶雙極化微帶偶極子相控陣饋源,加工測試結果完全滿足FAST系統的要求.經過仿真計算采用致冷LNA時設計的饋源陣在FAST系統中的靈敏度,口徑效率都能滿足要求.所設計的饋源結構簡單、重量輕、易安裝、便于批量加工、陣元之間誤差小、一致性好,適合作為FAST相控陣饋源的陣元.

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Design of phased array feed for five-hundred-meter aperture spherical telescope

HAN YubingTRAN VanhaTANG LeileiSHENG WeixingZHONG Luoqing

(SchoolofElectronicandOpticalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

AbstractUsing phased array as the feed of a radio telescope can effectively expand the field of view of radio telescope, and improve the scanning speed and system sensitivity. After analyzing the impact of the parameters of phased array feed including array configuration, array size, element spacing and other factors on the radio telescope of sensitivity, we gave a basic method to design general phased array feed. We designed a microstrip dipole phased array feed(PAF) based on the system requirements of Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope(FAST). The PAF with broadband and dual polarized microstrip dipole operates in the L band and is implemented using cryo low noise amplifier(LNA) matches to fit the FAST system. The tested results of a single machined element show good correlation with the HFSS model simulation results, which verifies the feasibility of the designed PAF.

Keywordsphased array feed; FAST; sensitivity; microstrip dipole

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號TN751

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0219-09

DOI10.13443/j.cjors.2015061001

作者簡介

韓玉兵(1971-),男,江蘇人,南京理工大學副教授,博士生導師,主要研究方向為陣列天線設計、陣列信號處理、微波系統建模.

TRAN VANHA(1988-),男,越南人,博士研究生,主要研究方向為天線設計和反射面建模.

湯蕾蕾(1989-),女,山東人,碩士研究生,主要研究方向為發(fā)射面饋源設計和相控陣系統建模.

盛衛(wèi)星(1966-),男,江蘇人,南京理工大學教授,博士生導師,主要研究方向為數字波束形成、智能天線和電磁散射建模.

仲洛清(1990-),男,湖南人,碩士研究生,主要研究方向為天線設計.

韓玉兵, TRAN Vanha, 湯蕾蕾, 等. 五百米口徑球面射電望遠鏡的相控陣饋源設計[J]. 電波科學學報,2016,31(2):219-227. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061001

HAN Y B, TRAN V, TANG L L, et al. Design of phased array feed for five-hundred-meter aperture spherical telescope[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):219-227. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015061001

資助項目: 國家自然科學基金(11273017)

聯系人： 韓玉兵 E-mail: hanyb@njust.edu.cn