王 凱，陳卯蒸，馬 軍，寧云煒，曹 亮，閆 浩，李 健，段雪峰，項(xiàng)斌斌

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆天文臺(tái)，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院 射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210033；3.新疆微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011)

1 引言

射電望遠(yuǎn)鏡可以利用其高靈敏度及分辨率對(duì)微弱的射電源進(jìn)行觀測(cè)，但由于望遠(yuǎn)鏡的波束寬度有限，在相應(yīng)天區(qū)形成的波束立體角非常小，對(duì)于需要開(kāi)展大范圍的巡天觀測(cè)仍需要花費(fèi)較多時(shí)間。改善上述情況最佳的方式就是增加望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)[1]。對(duì)于傳統(tǒng)單波束接收機(jī)來(lái)說(shuō)(如圖1 所示)，射電望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)Fov表示為：

圖1 射電望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)

其中，θAz為水平方向上半功率波束寬度，θEl為垂直方向上半功率波束寬度，Ω為射電望遠(yuǎn)鏡的波束立體角。

假設(shè)一次巡天觀測(cè)需完成對(duì)立體角為Ωtol的掃描觀測(cè)，完成該區(qū)域的掃描所需要花費(fèi)總的時(shí)間ttol可表示為[2]：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為一次觀測(cè)的積分時(shí)間，B為觀測(cè)帶寬，Ae為射電望遠(yuǎn)鏡的有效面積，Tsys為系統(tǒng)的噪聲溫度。

對(duì)于傳統(tǒng)單波束接收機(jī)來(lái)說(shuō)，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的巡天速度Ss表示為[3]：

一個(gè)簡(jiǎn)便的增加射電望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)的方法，是在現(xiàn)有的反射鏡望遠(yuǎn)鏡的焦平面上放置多個(gè)饋源，組成焦平面陣列，即多波束技術(shù)[4]。這種方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于射電天文接收機(jī)系統(tǒng)中，其工作頻段可達(dá)亞毫米波段。那么，對(duì)于具有N個(gè)相同波束的多波束接收機(jī)來(lái)說(shuō)，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的巡天速度可表示為：

從公式(4)可以看出，對(duì)于具備多波束接收機(jī)的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，其巡天速度與觀測(cè)的波束數(shù)量成正比，因此，采取多波束技術(shù)是提高射電望遠(yuǎn)鏡巡天速度最有效的方法。

2 多波束接收機(jī)

與傳統(tǒng)單波束相比，多波束接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)焦面場(chǎng)上多個(gè)陣列接收機(jī)同時(shí)工作[5]。根據(jù)系統(tǒng)組成不同，多波束接收機(jī)包含焦平面陣列饋源和相控陣列饋源兩種形式。

2.1 焦平面陣列

焦平面陣列饋源的概念最早起源于光學(xué)和紅外波段上使用的功率探測(cè)器以及輻射計(jì)應(yīng)用，包括衛(wèi)星地面站所使用的雙饋源或者4 饋源系統(tǒng)。1975 年，Condon 首次在美國(guó)Arecibo球面望遠(yuǎn)鏡上探索使用多波束接收機(jī)。1983 年，荷蘭的Arnold van Ardenne 開(kāi)始了多波束毫米波接收機(jī)的研究工作。1987 年，美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)開(kāi)始研制5.85 GHz 的7 波束接收機(jī)，并安裝于Green Bank 300 ft 天線上開(kāi)展測(cè)試，之后將其運(yùn)至澳大利亞Parkes 64 m 天線上進(jìn)行巡天測(cè)試。1987 年，Arnold van Ardenne 開(kāi)始為麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)研制350 GHz陣列接收機(jī)。1988 年，NRAO 研制的基于肖特基混頻器的8 波束230 GHz 接收機(jī)問(wèn)世。上述發(fā)展歷程只能作為多波束接收機(jī)的樣機(jī)研制階段，1997 年初，澳大利亞Parkes 64 m 射電望遠(yuǎn)鏡成功安裝了13 波束接收機(jī)(21 cm 波段)[6]，這才是世界范圍內(nèi)真正意義上的第一臺(tái)實(shí)用型多波束接收機(jī)，主要用于開(kāi)展HI 及脈沖星巡天觀測(cè)，13 波束接收機(jī)如圖2 所示。2005 年，一個(gè)同樣版本的13 波束L 波段接收機(jī)被安裝于Arecibo 望遠(yuǎn)鏡上。隨后，德國(guó)Effelsberg 及美國(guó)綠岸射電望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope,GBT)都相繼裝備了多波束接收機(jī)。

圖2 澳大利亞Parkes 13 波束接收機(jī)

國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)在德林哈13.7 m 射電望遠(yuǎn)鏡上裝備的9 波束接收機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自研的多波束接收機(jī)系統(tǒng)[7]，其工作頻率為85～115 GHz，主要用于分子譜線觀測(cè)，見(jiàn)圖3 a)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)家臺(tái))的500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，目前已成功安裝澳大利亞研制的19 波束L 波段接收機(jī)[8]，該接收機(jī)具備19 波束雙極化輸出，工作頻率為1 050～1 450 MHz，采用喇叭饋源設(shè)計(jì)，饋源后級(jí)連接正交模耦合器及HEMT 低噪聲放大器(工作在20 K 低溫環(huán)境)，如圖3 b)所示。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)上海臺(tái))天馬65 m 望遠(yuǎn)鏡已裝配3 臺(tái)雙波束接收機(jī)，分別為K,Ka,Q 波段接收機(jī)，目前正在研制7 波束K 波段接收機(jī)。

圖3 德令哈13.7 m 天線9 波束與FAST 19 波束接收機(jī)

對(duì)于多波束接收機(jī)來(lái)說(shuō)，每個(gè)波束單元均是一個(gè)性能良好的饋源，各單元相互獨(dú)立，使用該技術(shù)可以大幅提高巡天觀測(cè)效率。但由于良好的波束照明需要足夠直徑的饋源，而相鄰饋源間由于其物理尺寸限制，每個(gè)饋源經(jīng)望遠(yuǎn)鏡形成的波束在天區(qū)上被分開(kāi)，從而使得視場(chǎng)不夠連續(xù)，不能形成連續(xù)的天區(qū)覆蓋[9]。

2.2 相控陣饋源

相控陣饋源(phased array feed,PAF)是近些年一項(xiàng)熱門(mén)的接收機(jī)技術(shù)，它是利用反射面望遠(yuǎn)鏡結(jié)合波束合成技術(shù)在天空形成多個(gè)連續(xù)波束的新的焦平面陣列。PAF 一般在射電望遠(yuǎn)鏡的焦平面上以矩形、六邊形等方式排布電小天線單元陣列，通過(guò)波束合成對(duì)各個(gè)陣元施加不同的激勵(lì)，調(diào)控各個(gè)陣元的幅度與相位，實(shí)際就是焦平面上一個(gè)小型的相控陣天線。天線的相位中心緊密相鄰，波束相互重疊，從而能夠?qū)蛊矫鎱^(qū)域進(jìn)行完全采樣，提供連續(xù)視場(chǎng)以提高巡天效率，解決了傳統(tǒng)多波束接收機(jī)因饋源相互分立而不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)大視場(chǎng)的問(wèn)題[10]。

對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡PAF 接收機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，波束合成作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將會(huì)直接影響整個(gè)PAF 系統(tǒng)的靈敏度、系統(tǒng)噪聲及觀測(cè)效率。對(duì)于一個(gè)PAF 接收機(jī)來(lái)說(shuō)，假設(shè)接收的信號(hào)為一個(gè)平面波，每個(gè)陣元天線的信號(hào)輸出z(t)可以定義為：

其中，s(t)表示為在中心頻率為Ω0的一個(gè)帶通信號(hào)，a(θ)為方向向量，其取決于Ω0和方向仰角θ，sb(t)為基帶包絡(luò)。

對(duì)于具有M個(gè)陣元的多路信號(hào)而言，z(t)可以表示為：

波束合成就是通過(guò)賦權(quán)調(diào)整合成波束中各個(gè)陣元的輸出以調(diào)控s(t)[11]，表示為：

其中，波束合成權(quán)向量為w=[w1,...,wM]T，陣列中第i個(gè)陣元在整個(gè)合成波束中被賦權(quán)的權(quán)值wi表示為：

其中，τ為時(shí)間延遲。

從PAF 發(fā)展歷程來(lái)說(shuō)，早在1982 年NRAO 技術(shù)討論會(huì)上，Weinreb 就首次提出使用PAF 進(jìn)行天線面型修正。1988 年，Cornwell 和Napier 出版了焦平面相干理論，以糾正像差、畸變等，并提出PAF 可以放置在焦平面上以用作小型相控陣。1993 年，澳大利亞Parkes 64 m 天線考慮過(guò)PAF 設(shè)計(jì)方案，但又被Trevor Bird 和GeoffPoulton 提出的多饋源機(jī)載衛(wèi)星所用的多波束方案所代替。1995 年，在NRAO 召開(kāi)的射電望遠(yuǎn)鏡多饋源系統(tǒng)會(huì)議上，Rick Fisher 提出PAF 陣元設(shè)計(jì)。2004 年，為開(kāi)展平方公里陣(square kilometre array,SKA)巡天，SKA 歐洲委員會(huì)提議使用PAF 進(jìn)行觀測(cè)。2006 年，澳大利亞提議為ASKAP使用PAF 接收機(jī)[12]。圖4 為SKA 部分參與機(jī)構(gòu)攜其PAF 樣機(jī)齊聚澳大利亞。

圖4 SKA 部分參與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的PAF 樣機(jī)

3 相控陣饋源接收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

雖然相控陣饋源技術(shù)已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、通信等領(lǐng)域，但由于射電天文的應(yīng)用背景和需求與上述領(lǐng)域存在明顯差異，將其應(yīng)用于射電天文觀測(cè)還需要開(kāi)展大量實(shí)踐工作。為此，國(guó)際射電天文界一直都在進(jìn)行相控陣饋源技術(shù)相關(guān)的理論和實(shí)踐研究。國(guó)外開(kāi)展PAF 相關(guān)工作的國(guó)家主要有美國(guó)、荷蘭、加拿大和澳大利亞。在國(guó)內(nèi)，上海臺(tái)為天馬65 m 望遠(yuǎn)鏡已開(kāi)展PAF 相關(guān)的研究工作，國(guó)家臺(tái)FAST 技術(shù)團(tuán)隊(duì)及國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所已開(kāi)展L 波段相控陣饋源的研發(fā)，國(guó)內(nèi)SKA 團(tuán)隊(duì)也在積極參與SKA 相控陣饋源工作包，主要用于開(kāi)展SKA 射頻前端的預(yù)先研究。

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 美國(guó)

20 世紀(jì)90 年代末，美國(guó)即開(kāi)始PAF 的研發(fā)工作。1996 年，美國(guó)NRAO 的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款概念驗(yàn)證式全采樣PAF 接收機(jī)，該接收機(jī)由19 個(gè)正弦天線單元組成，以0.7倍波長(zhǎng)的陣元間距六邊形排布，工作頻率在1.4 GHz[13]。2000 年，該P(yáng)AF 的第一版常溫樣機(jī)研制完成，并在綠岸(Green Bank,GB)的43 m 天線上進(jìn)行波束合成和望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)方法測(cè)試，如圖5 所示。

圖5 NRAO 安裝于43 m 天線上的第一版PAF 樣機(jī)

NRAO 的研究重點(diǎn)是針對(duì)大型單面板射電望遠(yuǎn)鏡(GBT)開(kāi)展制冷PAF 研制。與非制冷PAF 相比，制冷PAF 具備更高的靈敏度和更低的系統(tǒng)噪聲溫度。在上述第一版19 陣子常溫PAF 樣機(jī)的基礎(chǔ)上，NRAO 和楊百翰大學(xué)(Brigham Young University,BYU)開(kāi)展合作，一直在不斷進(jìn)行19 陣子制冷PAF 設(shè)計(jì)工作。如圖6 所示，從左至右分別為2007 年薄偶極子(dipoles)PAF 樣機(jī)[14]、2010 年阻抗優(yōu)化的厚偶極子PAF 樣機(jī)[15]、2015 年使用SiGe低噪聲放大器的雙極化偶極子GBT 1 版PAF 樣機(jī)[16]，以及2016 年由BYU 最終優(yōu)化后的、采用制冷低噪放的雙極化偶極子GBT 2 版PAF 實(shí)用型接收機(jī)[17]。

圖6 NRAO 四版19 陣元PAF

2016 年最終采用的雙極化偶極子的PAF 接收機(jī)也被稱(chēng)為GBT 焦平面陣列(focal Lband array for GBT,FLAG)，主要包括PAF 前端、光傳系統(tǒng)以及數(shù)字終端。其中PAF 前端系統(tǒng)主要包括前端-模擬子系統(tǒng)、PAF 陣列和LNA 等；光傳系統(tǒng)主要由數(shù)字化儀，光纖鏈路，多相濾波器組(頻率、通道)組成；數(shù)字終端主要用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)、波束合成、數(shù)據(jù)格式規(guī)范，以及磁盤(pán)存儲(chǔ)功能。

從FLAG 陣元設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，雖然上述4 版PAF 樣機(jī)的陣子均采用偶極子天線設(shè)計(jì)，但前后就有7 個(gè)設(shè)計(jì)版本，足以見(jiàn)證PAF 從概念設(shè)計(jì)到投入實(shí)踐應(yīng)用所經(jīng)歷的漫長(zhǎng)過(guò)程。如圖7 所示，F(xiàn)LAG 陣子從最早的單極化到雙極化，從細(xì)瓣到粗瓣(有助于表面電流傳導(dǎo))，從單獨(dú)陣子到陣子與LNA 結(jié)合設(shè)計(jì)(以此縮減傳輸鏈路以減小損耗)，最終還需考慮LNA 制冷及相應(yīng)的隔熱設(shè)計(jì)。

圖7 FLAG 多版陣子優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊百翰大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室自行搭建的小型暗室(見(jiàn)圖8)，用以開(kāi)展獨(dú)立陣子的天線性能測(cè)試?？梢钥吹紾BT 2 版陣子在內(nèi)側(cè)頂端，其余位置為吸波材料。以此，可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展陣子的S 參數(shù)測(cè)量。

圖8 GBT 2 版陣子S 參數(shù)測(cè)量環(huán)境

FLAG 采用的雙極化偶極子結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖9)，最終輸出兩路放大后的信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，縮減了陣子與低噪放之間的鏈路損耗，而且方便進(jìn)行制冷設(shè)計(jì)，最終測(cè)試結(jié)果顯示低噪放增益在帶內(nèi)可以達(dá)到35 dB 以上，噪聲溫度低于6 K[18,19]。

圖9 LNA 電路及其與陣子集成設(shè)計(jì)

FLAG 的終端開(kāi)發(fā)主要由NRAO 協(xié)同BYU 與西弗吉尼亞大學(xué)合作開(kāi)發(fā)，該終端設(shè)備開(kāi)發(fā)是基于混合現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和圖形處理單元技術(shù)的寬帶實(shí)時(shí)信號(hào)處理后端。圖10 給出相關(guān)器和波束合成器所組成的FLAG 數(shù)字終端。

圖10 FLAG 數(shù)字終端系統(tǒng)

FLAG 采用陣元復(fù)用方式，在19 個(gè)陣子中由7 個(gè)相鄰陣子合成1 個(gè)波束。FLAG 采用最大信噪比波束合成方式，在1 404 MHz 觀測(cè)3C295 瞬時(shí)形成的7 個(gè)合成波束方向圖(見(jiàn)圖11 a))，圖11 b)為整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的FLAG 靈敏度觀測(cè)結(jié)果，右側(cè)單位為m2·K?1。

圖11 FLAG 波束合成方向圖及靈敏度

3.1.2 荷蘭

SKA 是由全球20 個(gè)國(guó)家67 個(gè)科研機(jī)構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與建設(shè)的、世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。SKA 擬建設(shè)低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列和中頻反射面天線陣列三種接收天線陣列，接收面積達(dá)到1×106m2量級(jí)，頻率覆蓋70 MHz～20 GHz。自1993 年SKA 被提出，SKA 參與國(guó)及其研究機(jī)構(gòu)在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術(shù)研發(fā)等方面均開(kāi)展了大量的工作。根據(jù)規(guī)劃，每臺(tái)SKA 反射面天線將配備5 個(gè)單波束饋源以獲得高的單波束靈敏度，或3 個(gè)相控陣饋源以獲得大視場(chǎng)觀測(cè)能力，從而使SKA 在靈敏度和巡天效率方面比現(xiàn)有射電望遠(yuǎn)鏡大幅提高[20]。可以說(shuō)SKA 項(xiàng)目是相控陣饋源接收機(jī)在射電天文領(lǐng)域應(yīng)用的重要推手[21]。

2002 年，在SKA 射電天文歐洲委員會(huì)項(xiàng)目的合作伙伴專(zhuān)注于多波束技術(shù)時(shí)，荷蘭作為SKA 成員國(guó)之一，其荷蘭射電天文研究所(Netherlands Institute for Radio Astronomy,ASTRON)則已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)更具挑戰(zhàn)性的致密相控陣饋源接收機(jī)。ASTRON 為射電天文焦平面陣列(focal-plane arrays for radio astronomy:design,access and yield,FARADAY)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的第一款PAF 樣機(jī)[22]，工作帶寬為2～5 GHz，由112 個(gè)Vivaldi 天線單元組成，13個(gè)陣元可以通過(guò)模擬波束合成器合成一個(gè)波束，并在韋斯特堡綜合射電望遠(yuǎn)鏡(Westerbork synthesis radio telescope,WSRT)上得到了驗(yàn)證。但由于FARADAY 設(shè)計(jì)中使用了常溫低噪聲放大器(非制冷)，這使得最初的樣機(jī)并沒(méi)有達(dá)到與傳統(tǒng)喇叭饋源相當(dāng)?shù)慕邮諜C(jī)噪聲性能，但是PAF 技術(shù)的應(yīng)用很大程度提升了望遠(yuǎn)鏡的效率和視場(chǎng)，這些性能指標(biāo)的提升在當(dāng)時(shí)很好地激發(fā)技術(shù)人員參與到PAF 的研發(fā)中去。圖12 為2005 年在WSRT 25 m 天線上安裝常溫PAF 樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)照片。ASTRON 在WSRT 的測(cè)試結(jié)果證明，與傳統(tǒng)的單波束饋源喇叭相比，致密型PAF 在寬頻帶上具備提供更高天線效率的潛力。

圖12 安裝于WSRT 的FARADAY 常溫PAF

而上述FARADAY 項(xiàng)目的PAF 樣機(jī)僅作為SKA 歐洲委員會(huì)射頻網(wǎng)相控陣(radioNet phased arrays for reflector observing systems,PHAROS)工程的預(yù)研部分，之后ASTRON聯(lián)合PHAROS 工程合作伙伴(英國(guó)、意大利、波蘭和澳大利亞)進(jìn)一步推進(jìn)制冷PAF 的研制工作[23,24]。2006 年，ASTRON 為PHAROS 工程研制了第一版低溫制冷PAF 樣機(jī)，該樣機(jī)由144 個(gè)Vivaldi 天線作為陣元，其工作帶寬4～8 GHz，經(jīng)波束合成后可瞬時(shí)形成四個(gè)交疊的波束，低噪聲放大器工作在20 K 的低溫環(huán)境。ASTRON 為PHAROS 工程研制的制冷PAF 樣機(jī)，如圖13 所示，a)為PAF 陣列，b)為低溫杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，c)為杜瓦安裝完畢后的制冷PAF。該制冷樣機(jī)之后被運(yùn)至英國(guó)曼徹斯特的德雷爾班克天文臺(tái)(Jodrell Bank Observatory,JBO)并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試工作。

圖13 PHAROS 工程的第一版制冷PAF 樣機(jī)

2008 年，ASTRON 開(kāi)始為WSRT 的綜合孔徑項(xiàng)目(aperture tile in focus,APERTIF)開(kāi)發(fā)實(shí)用型PAF 接收機(jī)[25]。該P(yáng)AF 工作頻率為1.13～1.75 GHz，由121 個(gè)Vivaldi 天線陣元組成(見(jiàn)圖14 a))，陣列面積約為80×80 cm2，采用的室溫低噪聲放大器連接到每個(gè)陣元天線上(見(jiàn)圖14 b))，以放大接收信號(hào)并過(guò)濾帶外干擾，放大的信號(hào)通過(guò)同軸射頻電纜傳輸?shù)矫總€(gè)天線外，再經(jīng)進(jìn)一步放大、濾波并轉(zhuǎn)換到中頻信號(hào)(400～800 MHz)，后經(jīng)8 bit 及0.8 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后被分割成512 個(gè)子帶，其中384 個(gè)子帶被用于波束合成(300 MHz帶寬)，經(jīng)波束合成后的信號(hào)被傳送至20 KHz 的頻率通道中進(jìn)行相關(guān)處理，然后對(duì)相關(guān)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)；上述過(guò)程為PAF 實(shí)時(shí)處理部分，而在離線處理中主要開(kāi)展干擾信號(hào)的檢測(cè)和移除以及自校準(zhǔn)，最后將標(biāo)定后的數(shù)據(jù)成圖并保存[26]。APERTIF 項(xiàng)目PAF 接收機(jī)之后被成功安裝于WSRT 12 個(gè)25 m 天線上(見(jiàn)圖14 c))，系統(tǒng)溫度70 K，孔徑效率75%，雙線極化輸出，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)字波束合成方法并取得了初步結(jié)果，瞬時(shí)波束可以達(dá)到37 個(gè)雙極化，視場(chǎng)為8 平方度。該項(xiàng)目最終于2014 年底通過(guò)驗(yàn)收，并逐漸進(jìn)入推廣階段[27]。

圖14 APERTIF 項(xiàng)目研制的實(shí)用型PAF 接收機(jī)

圖15 a)為WSRT 安裝APERTIF 項(xiàng)目研制的實(shí)用型PAF 接收機(jī)后單面板天線靈敏度，圖15 b)為MFFE 和APERTIF 系統(tǒng)靈敏度比對(duì)，從圖中可見(jiàn)，雖然APERTIF 的單面板靈敏度略低，但是在帶內(nèi)波動(dòng)明顯好于MFFE，更為平坦，非常適合寬帶校準(zhǔn)。

圖15 APERTIF 系統(tǒng)靈敏度及其帶內(nèi)比對(duì)結(jié)果

目前，荷蘭ASTRON 正聯(lián)合意大利國(guó)家天體物理研究所、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、馬耳他大學(xué)和查爾默斯大學(xué)(瑞典)開(kāi)展PHAROS 2 項(xiàng)目的PAF 樣機(jī)研發(fā)工作。PHAROS 2 項(xiàng)目作為PHAROS 的升級(jí)版，研制目標(biāo)是一款工作在4～8 GHz、具備數(shù)字波束形成的低溫制冷PAF，該設(shè)備將會(huì)作為SKA 優(yōu)先儀器PAF 研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)發(fā)[28,29]。PHAROS 2 擬安裝在英國(guó)76 m 射電望遠(yuǎn)鏡主焦位置開(kāi)展技術(shù)和科學(xué)驗(yàn)證。

3.1.3 加拿大

作為SKA 成員國(guó)之一，加拿大的射電天體物理天文臺(tái)(Dominion Radio Astrophysical Observatory,DRAO) 在相控陣饋源方面也進(jìn)行了大量的研究工作，其主要包括相控陣樣機(jī)(phased array demonstrator,PHAD)[30]和焦平面陣列樣機(jī)(advanced focal array demonstrator,AFAD)項(xiàng)目[31]。

2009 年，DRAO 開(kāi)展首臺(tái)具有離線數(shù)字波束合成能力PAF 樣機(jī)(PHAD) 的工程實(shí)踐，主要用于有關(guān)校準(zhǔn)和波束合成、效率和系統(tǒng)噪聲優(yōu)化等方面，并未直接應(yīng)用于天文研究，因此在系統(tǒng)溫度、波束合成及處理帶寬等方面可有一定妥協(xié)。該P(yáng)HAD 工作頻率為1～2 GHz，由180 個(gè)Vivaldi 天線組成雙極化陣列，陣元間距為波長(zhǎng)的一半，每一個(gè)天線單元之后對(duì)應(yīng)連接一個(gè)LNA，陣列尺寸為0.76×0.76 m2。圖16 a)為PHAD 陣列及其數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，b)為PHAD 使用的、在低損耗微波印刷電路板材料上制造的Vivaldi 天線[32]。PHAD 選擇Vivaldi 作為陣元，是因?yàn)槠渚哂袑拵匦郧揖邆漭^好的輻射效率，而且較為適合致密陣排布[33]。作為PAF 樣機(jī)，PHAD 暫時(shí)采取離線方式進(jìn)行波束合成。

圖16 PHAD 系統(tǒng)樣機(jī)及其Vivaldi 陣元天線

之后，DRAO 將PHAD 樣機(jī)安裝在10 m 反射面天線MkII 上并進(jìn)行了測(cè)試。該天線同樣是DRAO 于2008 年為SKA 研制的，并由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，采取整體成型技術(shù)。其也是繼2007 年DRAO 建造第一版天線MkI 后的改良版，重量?jī)H為1 000 kg，主要目的是用于開(kāi)展PHAD 的相關(guān)測(cè)試[34]。圖17 為10 m MkII 天線及其上安裝的PAF 樣機(jī)。

圖17 MkII 天線及其上安裝的PHAD

2011 年，在PHAD 樣機(jī)的基礎(chǔ)上，DRAO 開(kāi)始研制下一版AFAD，它是一種符合射電天文觀測(cè)靈敏度和帶寬指標(biāo)的PAF 樣機(jī)。AFAD 工作頻率為0.7～1.5 GHz，陣元間距為10 cm(波長(zhǎng)/2 @1.5 GHz)，雙線極化輸出，處理帶寬為0.5 GHz，陣列尺寸小于1×1 m2，初步設(shè)計(jì)由128 個(gè)Vivaldi 陣元組成。頻率選擇范圍主要考慮覆蓋HI 線在1.42 GHz 的高頻端并向下延伸以觀察氫線紅移。此外，也希望可以使用AFAD 開(kāi)展偏振觀測(cè)。由于受普通10 G 光纖鏈路數(shù)據(jù)速率限制，AFAD 只有部分陣元信號(hào)數(shù)字化后被傳輸?shù)讲ㄊ铣删W(wǎng)絡(luò)[35]。在天線陣子與低噪聲放大器集成設(shè)計(jì)中，前一版的PHAD 由于低噪聲放大器位于距Vivaldi陣元饋電點(diǎn)幾厘米的地方，加之PHAD 工作于室溫下，較長(zhǎng)傳輸線損耗導(dǎo)致系統(tǒng)溫度顯著升高。AFAD 的設(shè)計(jì)將低噪聲放大器盡可能靠近Vivaldi 陣元饋電點(diǎn)，從而降低傳輸線損耗，并且通過(guò)增加Vivaldi 陣元的厚度(用5 mm 厚的固體金屬制造元件而不是印刷電路板或厚度小于1 mm 的金屬板)，從而增加電流流過(guò)的表面積，且以此減少開(kāi)槽線損耗。另外，這種增加Vivaldi 陣元的厚度，可以允許LNA 嵌入其中，并提供良好的電磁屏蔽，如圖18 a)所示，這也是DRAO 第一次嘗試在一個(gè)已知Vivaldi 陣元內(nèi)集成LNA[36]。圖18 b)是41 個(gè)陣子的PHAD 樣機(jī)，起初低噪聲放大器用的均是Avago LNA ICs，之后將陣列中間9 個(gè)陣子連接的低噪放更換成CMOS LNA(來(lái)自Calgary 大學(xué))而實(shí)現(xiàn)了更好的結(jié)果[37–39]。

圖18 Vivaldi 陣元內(nèi)嵌LNA 設(shè)計(jì)及41 陣元樣機(jī)

之后，DRAO 繼續(xù)優(yōu)化AFAD 樣機(jī)陣列尺寸，以獲取更高的接收機(jī)靈敏度，包括將之前的模擬波束合成方式過(guò)度為數(shù)字波束合成網(wǎng)絡(luò)，并希望可以應(yīng)用于實(shí)際天文觀測(cè)。DRAO第二階段AFAD 樣機(jī)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)88 個(gè)改進(jìn)后的Vivaldi 陣子，所有的陣子均內(nèi)嵌CMOS 低噪放并采用數(shù)字波束合成技術(shù)，擬裝備在DVA-1 天線(見(jiàn)圖19 a))、在1.5 GHz 觀測(cè)頻率形成3×3 個(gè)波束。該AFAD 樣機(jī)在實(shí)際測(cè)試中，由于靜電導(dǎo)致部分陣子在裝配時(shí)被毀壞，故此最終安裝的PAF樣機(jī)為60 陣元的Vivaldi 天線陣列，其中30 個(gè)Vivaldi 天線連接CMOS 低噪放，另外30 個(gè)Vivaldi 天線連接GaAs 低噪放(見(jiàn)圖19 b))。

圖19 DVA-1 天線及60 陣元AFAD 樣機(jī)

由于常溫PAF 噪聲溫度偏高，很大程度上影響其廣泛應(yīng)用。2017 年，DRAO 又開(kāi)始進(jìn)行2.8～5.18 GHz 的全制冷PAF 樣機(jī)(cryoPAF4)研制。該P(yáng)AF 樣機(jī)為雙線極化設(shè)計(jì)，由140 個(gè)Vivaldi 天線陣元及其后級(jí)低噪聲放大器組成，陣元天線及低噪聲放大器全部制冷，接收機(jī)噪聲溫度預(yù)估為11 K(見(jiàn)圖20 a))。整個(gè)陣列位于直徑480 mm 的圓柱形杜瓦瓶中，杜瓦瓶上覆蓋有射頻透明真空窗(見(jiàn)圖20 b))。在每個(gè)金屬Vivaldi 天線元件內(nèi)集成了一個(gè)寬帶兩段同軸饋線(見(jiàn)圖20 c))，以承受低溫環(huán)境，并提供50 Ω 的阻抗，以連接到陣列天線的后級(jí)部分。cryoPAF4 設(shè)計(jì)的數(shù)字波束合成網(wǎng)絡(luò)，可執(zhí)行數(shù)字化、頻帶選擇、波束合成和陣列校準(zhǔn)等功能。DRAO 擬將cryoPAF4 應(yīng)用于15 m 格里高利雙反射鏡望遠(yuǎn)鏡上，可形成18 個(gè)連續(xù)交疊的波束，與具有相同系統(tǒng)溫度的傳統(tǒng)單波束接收機(jī)相比，視場(chǎng)預(yù)計(jì)可增加8 倍。

圖20 DRAO 正在研制的cryoPAF4

3.1.4 澳大利亞

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(Commonwealth Science and Industrial Research Organization,CSIRO)的澳大利亞國(guó)家射電望遠(yuǎn)鏡中心(Australia Telescope National Facility,ATNF)一直在積極探索擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)的技術(shù)與方法，這其中包括現(xiàn)有Parkes 64 m 射電望遠(yuǎn)鏡中的13 波束L 波段接收機(jī)和SKA 提出的大數(shù)量、小口徑(large-number,small-diameter,LNSD)方案中的相控陣饋源。

作為SKA 的發(fā)起國(guó)之一，澳大利亞一直致力于SKA 的研發(fā)工作，是LNSD 方案的代表國(guó)家。2007 年，澳大利亞ATNF 開(kāi)始了一項(xiàng)名為澳大利亞SKA 先導(dǎo)項(xiàng)目(Australian SKA pathfinder,ASKAP)，由澳大利亞CSIRO 協(xié)同國(guó)際合作者共同開(kāi)發(fā)，其中包括加拿大、荷蘭和德國(guó)。ASKAP 作為SKA 先導(dǎo)單元，計(jì)劃安裝36 個(gè)12 m 拋物面天線，每臺(tái)天線上配備0.7～1.8 GHz 相控陣饋源接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，臺(tái)址部署在西澳大利亞內(nèi)陸地區(qū)一個(gè)新的無(wú)線電保護(hù)區(qū)。ASKAP 建成后將成為世界上最快的譜線巡天觀測(cè)設(shè)備[40]。

ASKAP 上裝配的相控陣饋源是該項(xiàng)目研制的核心裝置。ASKAP 第一版PAF(MkI)選擇的結(jié)構(gòu)是一個(gè)5×4 單元雙極化棋盤(pán)式陣列，陣列天線設(shè)計(jì)在一個(gè)薄的電介質(zhì)片上，由一個(gè)棋盤(pán)形的方形導(dǎo)電片印刷電路板組成(見(jiàn)圖21 a))。整個(gè)PAF 前端由印刷電路板、泡沫和接地板組成(見(jiàn)圖21 b))，以此形成一個(gè)堅(jiān)固且易于制造的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[41,42]，陣列后級(jí)采用室溫差分低噪聲放大器。該項(xiàng)工作補(bǔ)充了荷蘭ASTRON 和加拿大DRAO 的基于Vivaldi 陣元的PAF 研制工作。2012 年，ASKAP 第一版PAF 樣機(jī)被安裝于西澳大利亞默奇森射電天文觀測(cè)站(Murchison Radio-astronomy Observatory,MRO)現(xiàn)場(chǎng)，如圖21 c)所示，經(jīng)12 m天線安裝并測(cè)試后，該Mk I 原型樣機(jī)已成功實(shí)現(xiàn)大約30 平方度的視場(chǎng)。

圖21 ASKAP 第一版棋盤(pán)式PAF 及其安裝的12 m 天線

2012 年，澳方開(kāi)啟ASKAP 第二階段相控陣饋源樣機(jī)(MarkII)的研制[43]。該MarkII饋源陣列由94×2 個(gè)貼片偶極子單元組成188 陣元，采用“自互補(bǔ)棋盤(pán)式”排列形式，工作頻段為700～1 800 MHz，系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬300 MHz，采用數(shù)字波束合成技術(shù)[44]，大約可形成30 個(gè)波束，在1.4 GHz 生成30 平方度的視場(chǎng)，允許巡天和深空探測(cè)[45]。該P(yáng)AF 樣機(jī)于2015 年研制完成(見(jiàn)圖22 a))[46]，并于同年年底安裝于ASKAP 的12 m 天線上并開(kāi)展測(cè)試工作(見(jiàn)圖22 b))。該MkII PAF 樣機(jī)使用RFoF 方式，將所有陣列射頻信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至中央大樓，以此大大降低位于天線基座下方的電子設(shè)備及支撐系統(tǒng)的復(fù)雜性，但該方式也會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率每個(gè)天線約2 Tb/s[47,48]。

圖22 MkII PAF 樣機(jī)及安裝的12 m 天線

在澳大利亞CSIRO 研制MarkII 的同時(shí)，德國(guó)馬普射電所為ASKAP 第二階段也在開(kāi)展188 陣子Mk II PAF 樣機(jī)的研制工作。2016 年，由德國(guó)馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy,MPIfR)研制的PAF 樣機(jī)首次安裝于澳大利亞64 m Parks 射電望遠(yuǎn)鏡并開(kāi)展調(diào)試[49]，如圖23 a)所示。該樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作頻率為0.8～1.74 GHz，預(yù)計(jì)波束合成后的噪聲溫度在45 K 到60 K 之間，孔徑效率在70%～80%之間，有效視場(chǎng)在1 310 MHz 時(shí)為1.4 deg2。在澳大利亞Parkes 64 m 天線上進(jìn)行了6 個(gè)月的試驗(yàn)觀測(cè)后，該P(yáng)AF 樣機(jī)又被安裝在德國(guó)Effelsberg 100 m 天線上開(kāi)展試觀測(cè)，上述工作也是天文學(xué)家在大型單面板射電望遠(yuǎn)鏡上使用PAF 開(kāi)展科學(xué)觀測(cè)的首次經(jīng)歷?？紤]到在Parkes 和Effelsberg觀測(cè)可能會(huì)受到來(lái)自移動(dòng)電話和數(shù)字電視信號(hào)的干擾，MPIfR 版Mk II PAF 樣機(jī)配備了更窄的采樣濾波器，接收頻率縮減至1.2～1.75 GHz。在Parkes 64 m 天線端，MPIfR 版Mk II PAF 樣機(jī)在1 310 MHz 采用最大靈敏度波束合成算法在整個(gè)視場(chǎng)上采用歸一化的靈敏度，如圖23 b)所示。

圖23 Parkes 上安裝MPIfR 版MkII 及靈敏度測(cè)試結(jié)果

上述MkII PAF 樣機(jī)在大型單面板望遠(yuǎn)鏡上的成功測(cè)試，使得CSIRO 開(kāi)始考慮將實(shí)用型PAF 接收機(jī)應(yīng)用于大型單面板望遠(yuǎn)鏡上，如Parkes 64 m 射電望遠(yuǎn)鏡，期望可以實(shí)現(xiàn)在2～3 倍頻程帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度，且能夠在幾個(gè)波束寬度的視場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電掃描。在此需求下，CSIRO 于2016 年開(kāi)始研究一版基于類(lèi)似火箭型的圓錐旋轉(zhuǎn)體陣元(Vivaldi 天線的優(yōu)化版)組成的PAF 陣列(Mk-III PAF)[50]。該陣列采用5×4 方形結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖24 a))，雙極化輸出，每個(gè)極化在E 面上有5 個(gè)端口，沿H 面有4 個(gè)端口，考慮到低頻的射頻干擾，頻率范圍可優(yōu)化擴(kuò)展到600～1 800 MHz。當(dāng)前版本設(shè)計(jì)仍為常溫PAF，如果為低溫制冷設(shè)計(jì)，該P(yáng)AF接收機(jī)噪聲溫度可達(dá)15～20 K。Mk-III PAF樣機(jī)于2016年5月安裝于Parkes 64 m 天線上(見(jiàn)圖24 b))，測(cè)試人員使用斬波輪法測(cè)試接收機(jī)的噪聲溫度，采取最大信噪比的波束合成算法測(cè)試系統(tǒng)溫度。Mk-III PAF 樣機(jī)的波束合成網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖24 c))采用無(wú)源、寬帶、等振幅、等延遲、單極化設(shè)計(jì)，最終輸出為一路合成后的信號(hào)[51]。這種模擬波束形成器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于表征，性能穩(wěn)定，非常適合PAF 研制期間開(kāi)展測(cè)試。在Mk-III PAF 樣機(jī)研制成功后，分別使用模擬和數(shù)字兩種波束合成器在Parkes 64 m 天線上進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，用模擬波束形成法測(cè)量的系統(tǒng)噪聲溫度與仿真模擬結(jié)果非常一致，令人鼓舞。雖然該模擬波束形成器的簡(jiǎn)單性、極易測(cè)量結(jié)果和質(zhì)量，使其成為PAF 孔徑陣列測(cè)試不可或缺的工具，但在ASKAP 測(cè)試發(fā)現(xiàn)模擬波束合成器的實(shí)時(shí)性相對(duì)較慢，在綜合孔徑中應(yīng)用仍有弊端。

圖24 MkIII PAF 樣機(jī)、64 m 天線安裝及模擬波束合成器

2019 年，澳大利亞CSIRO 開(kāi)始為Parkes 64 m 射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)600～1 950 MHz 的98陣元/196 通道低溫制冷PAF 樣機(jī)，PAF 模型如圖25 所示。該P(yáng)AF 陣列包括間距為80 mm的火箭形狀的陣元天線，并將Mk-III PAF 樣機(jī)版本的火箭型陣子進(jìn)行優(yōu)化以匹配低噪聲放大器并提高波束合成效率。鑒于Parkes 64 m 射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址受觀測(cè)波段低頻端外部射頻干擾影響嚴(yán)重，因此在制冷PAF 設(shè)計(jì)時(shí)將添加一個(gè)階躍濾波器，以抑制外部RFI并避免接收機(jī)飽和，同時(shí)以稍微升高系統(tǒng)噪聲溫度為代價(jià)來(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)。由于射頻干擾的影響，該制冷PAF 的典型噪聲貢獻(xiàn)預(yù)計(jì)將提升0.5 K(射頻干擾帶)和1.5 K(全頻段)，使用Parkes 64 m 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)噪聲溫度預(yù)計(jì)分別為25 K 和30 K。

圖25 CSIRO 正在研制的98 陣元制冷PAF 模型

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，隨著國(guó)內(nèi)大科學(xué)裝置及前沿科學(xué)的驅(qū)動(dòng)，我國(guó)在相控陣饋源技術(shù)方面也開(kāi)展了大量的研究工作。上海臺(tái)依托天馬65 m 射電望遠(yuǎn)鏡，在卡焦式相控陣饋源技術(shù)方面進(jìn)行了相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)。國(guó)家臺(tái)依托FAST 工程，與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所(簡(jiǎn)稱(chēng)五十四所)、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，針對(duì)L 波段相控陣饋源開(kāi)展了大量的研究。國(guó)家臺(tái)和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室依托SKA 工程，針對(duì)不同頻段相控陣饋源開(kāi)展了相關(guān)的研發(fā)工作。中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)新疆臺(tái))依托擬建的奇臺(tái)110 m 射電望遠(yuǎn)鏡，也已開(kāi)展0.7～1.8 GHz 的相控陣饋源預(yù)先研究。

3.2.1 天馬65 m 天線PAF 設(shè)計(jì)

2013 年，上海臺(tái)依托天馬65 m 射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展了PAF 的關(guān)鍵技術(shù)研究。與絕大多數(shù)主焦設(shè)計(jì)的長(zhǎng)厘米波段PAF 不同，上海臺(tái)開(kāi)展的是針對(duì)更高的工作頻段(6～9 GHz)、卡焦形式PAF 的分析研究[52]。

通過(guò)對(duì)拋物面天線焦面場(chǎng)的仿真優(yōu)化分析，初步確定PAF 陣列設(shè)計(jì)。選取Vivaldi 作為陣列單元，使用三層電路板工藝，中間層為饋電層，上下層增加了互通金屬過(guò)孔，Vivaldi 天線單元后端采用帶狀線到同軸線的過(guò)渡方式連接同軸轉(zhuǎn)接頭；根據(jù)陣列特性，單元間距選取9 GHz 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，以此達(dá)到對(duì)焦平面進(jìn)行完全采樣；初步確定PAF 樣機(jī)為102×2 單元正交vivaldi 天線陣列。實(shí)際PAF 陣列僅加工了8 列(橫、豎各4 列)vivaldi 陣元，如圖26 所示。由于只是部分加工，集成效果與理想陣列圖略有區(qū)別，但已可以實(shí)現(xiàn)波束掃描功能[53]。

圖26 上海天文臺(tái)PAF 原理樣機(jī)

最終，研究人員對(duì)該P(yáng)AF 的Vivaldi 天線陣列中心單元開(kāi)展了基本的S 參數(shù)測(cè)量，而后利用共軛匹配的波束合成方法對(duì)該P(yáng)AF 原理樣機(jī)進(jìn)行了整機(jī)的性能測(cè)試。該項(xiàng)研究也是國(guó)內(nèi)在大口徑射電望遠(yuǎn)鏡上開(kāi)展PAF 技術(shù)的首次探索。

3.2.2 FAST PAF 研制

國(guó)家臺(tái)主持建造的“500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，是利用貴州南部的喀斯特洼地的獨(dú)特地形條件建設(shè)的世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。目前，國(guó)家臺(tái)FAST 團(tuán)隊(duì)與五十四所[54]、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)[55–58]等國(guó)內(nèi)高校，以及國(guó)外CSIRO 和NRAO 等研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展合作，正在開(kāi)展L 波段制冷相控陣饋源的研制工作。

FAST PAF 設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作頻率為1.05～1.45 GHz，瞬時(shí)帶寬大于等于500 MHz，視場(chǎng)為0.6×0.6 平方度，瞬時(shí)波束數(shù)量大于等于100 個(gè)，系統(tǒng)溫度為25 K，口徑效率大于等于55%[59,60]。國(guó)家臺(tái)與五十四所以射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為依托，初步設(shè)計(jì)PAF 陣列采用背腔陣子形式(見(jiàn)圖27 a))，六邊形排布，最終陣元數(shù)量為217 個(gè)，陣元間距為0.65 倍波長(zhǎng)，雙線極化輸出，合成一個(gè)波束需要37 個(gè)陣元，瞬時(shí)可以形成100 個(gè)波束。目前，F(xiàn)AST 19 陣元PAF 樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖27 b)所示。

圖27 背腔陣子及FAST 19 陣元PAF 樣機(jī)

目前，研究人員正在開(kāi)展FAST PAF 的制冷設(shè)計(jì)[61]，如圖28 所示。

圖28 FAST 制冷PAF 樣機(jī)

3.2.3 中國(guó)SKA PAF 研制

在SKA 諸多成員國(guó)中，中國(guó)在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術(shù)研發(fā)等方面均起到積極的推動(dòng)作用[62]。目前，由國(guó)家臺(tái)和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展SKA 先導(dǎo)天線及相位陣饋源等關(guān)鍵技術(shù)研究[63]。其中，中國(guó)驗(yàn)證天線(dish verification antenna-China,DVA-C) 是我國(guó)瞄準(zhǔn)SKA 反射面天線單元，結(jié)合國(guó)際先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與成熟工程經(jīng)驗(yàn)研制的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一架反射面天線樣機(jī)(如圖29 所示)[64]。該天線采用上偏置格利高里天線形式，主副反射面賦形設(shè)計(jì)；主副反射面均采用碳纖維材料、單塊面板、整體成型技術(shù)制造工藝；天線轉(zhuǎn)動(dòng)采用方位轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰絲杠的座架設(shè)計(jì)；天線控制采用全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

圖29 DAV-C 天線

射電天文技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室利用之前為FAST 設(shè)計(jì)的背腔陣子PAF 設(shè)計(jì)，結(jié)合最新設(shè)計(jì)的DAV-C 天線，又設(shè)計(jì)出中國(guó)SKA 項(xiàng)目中新的接收設(shè)備樣機(jī)(SKA DAV-C PAF)。圖30是五十四所為SKA DAV-C 設(shè)計(jì)的PAF 樣機(jī)。

圖30 SKA DAV-C PAF 及陣元布局

之后，該實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)為SKA 項(xiàng)目在Ku 波段擬進(jìn)行的多波束觀測(cè)開(kāi)展PAF 設(shè)計(jì)。2019年，五十四所針對(duì)具體的反射面天線，已經(jīng)成功研制一工作在Ku 頻段的相控陣饋源樣機(jī)，該樣機(jī)采用開(kāi)口波導(dǎo)作為陣列單元，一共22 個(gè)單元。采用數(shù)字波束合成技術(shù)，在俯仰方向上形成了四個(gè)瞬時(shí)波束。通過(guò)仿真還可以得到單個(gè)波束的效率最高可達(dá)74.7%，增益達(dá)到63 dB，天線的噪聲溫度為92 K，滿足項(xiàng)目要求，單個(gè)波束的靈敏度為1.077 m2·K?1，相鄰波束性能基本一致[65]。

3.2.4 QTT PAF 預(yù)研

新疆臺(tái)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院和新疆維吾爾自治區(qū)，擬在新疆奇臺(tái)縣建設(shè)“110 米口徑全向可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡” (QiTai Telescope,QTT)[66]，QTT 模型如圖31 所示。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)和項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，初步計(jì)劃配備五套高靈敏度制冷接收機(jī)，覆蓋0.27～30 GHz 的觀測(cè)頻率范圍，其中40 cm 波段(0.27～1.8 GHz)和15 cm 波段(0.7～4 GHz)單波束接收機(jī)，以及20 cm 波段(0.7～1.8 GHz)相控陣饋源接收機(jī)系統(tǒng)裝備在QTT 主焦點(diǎn)位置，5 cm 波段(4～16 GHz)和2 cm 波段(16～30 GHz)單波束接收機(jī)裝備在QTT 格里高利焦點(diǎn)位置。后期擬陸續(xù)配備13/3.6 cm,3.6/0.9 cm,1.3 cm,7 mm 和3 mm 波段5 套高頻接收機(jī)，共計(jì)10 套接收機(jī)，工作頻率覆蓋0.27～115 GHz，具備總功率、偏振、頻譜、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等多種觀測(cè)模式。

圖31 QTT 模型

QTT 項(xiàng)目建設(shè)在即，相應(yīng)的各個(gè)波段接收機(jī)的預(yù)研工作已經(jīng)展開(kāi)，其中20 cm 波段PAF 作為其中唯一一臺(tái)相控陣饋源接收機(jī)，為大型射電望遠(yuǎn)鏡使用相控陣饋源實(shí)現(xiàn)數(shù)十乃至上百個(gè)波束同時(shí)觀測(cè)提供了可能。20 cm 波段相控陣饋源接收機(jī)主要由低溫制冷前端、常溫微波單元、信號(hào)采集與傳輸單元、電源與監(jiān)控單元、校準(zhǔn)單元、制冷系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖32 所示[67]。

圖32 QTT 20 cm 波段PAF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

QTT 20 cm 波段PAF 接收機(jī)射頻帶寬0.7～1.8 GHz，雙線極化輸出，為了盡可能降低接收機(jī)噪聲溫度，96 個(gè)單元饋源陣列和第一級(jí)低噪聲放大器整體制冷，輸出信號(hào)經(jīng)濾波放大之后直接由數(shù)字化光纖傳輸，96 陣元布局如圖33 所示。目前，正在開(kāi)展低溫制冷前端設(shè)計(jì)。該P(yáng)AF 低溫制冷前端是接收機(jī)的核心部分，其噪聲溫度指標(biāo)決定了整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度。低溫制冷前端由真空微波窗口、正交模耦合器、低溫定向耦合器、低溫隔離器、低溫低噪聲放大器與低溫射頻電纜組件及制冷機(jī)構(gòu)成，制冷部件工作于20 K 溫區(qū)，外層加入溫度為77 K 的冷屏降低熱輻射效率，進(jìn)一步保證制冷器件的工作溫度，整個(gè)低溫微波單元封裝在杜瓦內(nèi)。

圖33 QTT 20 cm 波段PAF 96 陣元布局

4 總結(jié)與展望

將PAF 應(yīng)用于焦平面陣列的優(yōu)點(diǎn)在于其可以通過(guò)優(yōu)化波束來(lái)提升望遠(yuǎn)鏡在靈敏度、旁瓣和偏振特性方面的性能。與此同時(shí)，PAF 相較多波束技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面將面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如采取陣列低噪放后級(jí)直接數(shù)字化，有助于提升系統(tǒng)的緊湊性，消除了同軸電纜或光纖鏈路復(fù)雜程度，但會(huì)增大數(shù)據(jù)量，另外還包括緊湊性、對(duì)外部射頻干擾的敏感性、對(duì)通道隔離提供足夠的信道、射頻信號(hào)泄漏控制、制冷、重量和成本等方面。未來(lái)射電天文領(lǐng)域PAF 的研究重點(diǎn)及主要挑戰(zhàn)包括PAF 陣列的數(shù)值模擬、PAF 接收機(jī)的噪聲優(yōu)化、PAF 的波束合成技術(shù)，以及PAF 的陣列校準(zhǔn)。

射電天文學(xué)的蓬勃發(fā)展正在積極推動(dòng)著高靈敏度相控陣饋源的研究。大型單面板射電望遠(yuǎn)鏡，如上海臺(tái)天馬望遠(yuǎn)鏡、國(guó)家臺(tái)FAST、新疆臺(tái)QTT，以及大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列，如中國(guó)SKA 項(xiàng)目，均在積極推動(dòng)著國(guó)內(nèi)相控陣饋源技術(shù)研發(fā)。隨著射電天文觀測(cè)需求的不斷攀升，對(duì)相控陣饋源的性能也提出了更為嚴(yán)苛的要求，接收機(jī)研發(fā)人員將面臨更大挑戰(zhàn)，例如超寬帶、低噪聲、全制冷、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等，這些需求已經(jīng)成為相控陣饋源在未來(lái)幾年內(nèi)的發(fā)展方向。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，新一代PAF 將會(huì)成為天文學(xué)家開(kāi)展巡天觀測(cè)的科學(xué)利器，也將使得對(duì)瞬態(tài)宇宙現(xiàn)象的研究成為可能。