射电天文相控阵馈源技术发展综述

相控阵馈源是近年在射电天文领域新兴的一种阵列天线接收系统,在射电望远镜焦平面上以矩形、六边形等方式排布电小天线单元阵列。通过波束合成对各个阵元施加不同的激励,调控各个阵元的幅度与相位,使得各波束相互交叠、相位中心紧密相邻,从而能够对焦平面区域进行完全采样,实现连续的视场覆盖以提高巡天效率。从焦平面阵列出发,对比介绍了相控阵馈源及多波束技术;之后进一步详细描述了现今世界范围内相控阵馈源技术前沿研究,其中主要包括美国的NARO,荷兰的ASTRON,加拿大的DRAO和澳大利亚的CSIRO等研究机构在PAF研制方面的具体工作;之后介绍了国内在大科学装置及SKA等大科学工程推动下开展的相控阵馈源的技术预研及工程实践;最后针对现有相控阵馈源技术发展,提出了该项技术未来的研究难点及发展方向。     

面向新疆奇台110 m射电望远镜宽带双极化Vivaldi馈源设计

射电望远镜一般要在宽频段内进行连续观测, 但传统相控阵天线设计方法难以兼顾宽频带和大角度扫描特性. 紧耦合天线的设计方法为宽带大角度扫描天线提供了新的设计思路, 基于此设计了一款宽带双极化 Vivaldi相控阵馈源. 首先结合Wheeler提出的连续电流片概念及等效电路对紧耦合原理进行理论分析, 然后针对Vivaldi天线分析了阵元间的强耦合能够有效拓展天线的工作带宽. 在此基础上设计了一款宽带Vivaldi相控阵馈源. 馈源阵列由8×9 Vivaldi天线阵元组成, 该阵列的工作带宽为2-8GHz, 并且能够在E面和H面均实现±$45^\circ$的扫描特性. 最后对该馈源阵列进行了样机加工和测试, 测试结果与仿真结果具有较好的一致性.     

组成干涉阵列的阵元数目问题研究

使用模拟干涉成像实验对组成干涉阵列的阵元数目进行讨论,假设分别使用从20个到100个天线组成干涉阵列,使用基因遗传优化的方法得出随天线数目的增加在旁瓣水平、能量覆盖率和平均方差等3种评价标准下的性能变化曲线,通过拟合得出天线数目与各种评价效果的函数对应关系,又进一步讨论了使用效果截断、增加阵元效率等方法为设计干涉阵列的阵元数目提出合理方案,为太阳低频射电阵列阵元数目的确定提供参考。     

一种扩大FAST视场的方法

所有的大口径射电望远镜都存在这样一个问题：在其分辨率和灵敏度提高的同时，视场变小．而且口径越大，视场越小．这成为大口径望远镜不可回避的矛盾．要解决这个矛盾，可以在望远镜的焦平面上放置Ⅳ个分立馈源．让它们同时工作，这样可以看作把视场扩大了Ⅳ倍．望远镜的工作效率提高Ⅳ倍．但是这样做的缺点是——视场不连续．且馈源数目Ⅳ受到望远镜焦比(F／D)的限制．采用致密焦面阵(dense focal plane array)就可以很好地解决这个问题．致密焦面阵的单元不是喇叭口天线，而是无方向性的Vivaldi天线(Vivaldi antenna)．要把Vivaldi阵列应用到望远镜上，需要对单个Vivaldi天线和Vivaldi阵列的电性能有清楚的认识，并能根据需要来设计照明方向图．还要知道大望远镜的焦面上电磁场的分布情况，借此判断能否应用Vivaldi阵列，以及给出Vivaldi单元的分路赋权网络．主要给出了FAST的焦面场的分布情况．并说明应用Vivaldi阵列的可能性．     

Q波段宽带圆极化器设计与研究

为满足天马望远镜Q波段(35-50 GHz)双波束致冷接收机的需求,介绍了一种Q波段宽带圆极化器的设计。圆极化器采用90°移相器与正交模式转换器组合的方式,其中,90°移相器利用双壁波纹移相结构,仿真结果表明,工作带宽内可以达到90°±3°;正交模式转换器采用十字转门结构,仿真结果表明各端口反射系数好于-25 dB,输出端口隔离度好于-60 dB。文章还给出了对实际加工90°移相器与正交模式转换器具有指导意义的容差分析,并且给出了90°移相器与正交模式转换器组合的仿真结果。组合而成的圆极化器性能满足天马望远镜Q波段致冷接收机的设计指标:端口反射系数好于-20 dB,输出端口隔离度好于-32 dB。     

世界各国日像仪主要性能比较

本文是世界各国日像仪的天线阵性能汇集,包括日、俄、法、中、美等专用日像仪及美国、印度、巴西等兼作日像仪的天线阵,列出了几个典型天线阵列排列及接收系统。附录中列出了等口径及不等口径天线阵列的灵敏度及动态范围计算公式,同时列出了视场、角分辨率等公式。便于读者自行分析,计算,比较各天线阵列性能。     

国家重点研发计划“SKA前期数据处理系统建设和相关科学预研”简介

在继承平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)望远镜的中国低频探路者——"宇宙第一缕曙光"探测项目21CMA在十年间所积累的经验和广泛国际合作的基础上,计划小规模改造现有设备,迅速掌握数字多波束合成、高动态大视场成像、前景去除等SKA低频成像的关键核心技术。同时,与SKA低频阵(SKA-low)先导设备MWA(Murchison Widefield Array)开展深层次合作,预选未来用于SKA1-low宇宙再电离深度成像的观测候选区域,为最终利用SKA第一阶段(SKA1)低频阵列,对选定观测候选区域进行深度定点观测做好充分准备,最终实现SKA1既定的首要科学目标。该项目还将建设中国SKA区域中心数据处理原型样机,并以21CMA和MWA实测数据为基础,完成低频射电干涉成像的数据处理流程,为建设中国SKA区域数据中心打下基础。     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机,为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样,返回时域阵列信号,使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向,同时抑制RFI在输出信号中的功率,从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果.仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力,同时,该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力,因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

相控阵馈源MVDR波束合成器缓解RFI仿真

相控阵馈源(Phased array feeds, PAFs)接收机作为下一代微波接收机, 为大口径射电天文望远镜的射电干扰(Radio Frequency Interference, RFI)缓解工作带来了新的解决方法. PAFs接收机对射电望远镜焦平面的电磁波进行空域采样, 返回时域阵列信号, 使用最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)波束合成器可以自适应地识别RFI的方向, 同时抑制RFI在输出信号中的功率, 从而达到提升射电望远镜灵敏度的效果. 仿真结果表明MVDR波束合成器对有源高能量的射电干扰有很强的识别能力和一定程度的缓解能力, 同时, 该波束合成器对各阵元信道中加性噪声累积引起的无源干扰有很强的抑制能力, 因此, PAFs接收机的MVDR波束合成器可以增强日益复杂电磁波环境下射电望远镜的抗干扰能力.     

宽视场成像网格化算法中w-plane最优经验值研究

射电干涉阵列宽视场成像网格化处理过程中必须考虑w项的影响。w-projection和w-stacking是两种重要的宽视场成像网格化处理算法,w-plane参数是算法中影响计算速度和成图质量的一个重要因素。研究了w-projection和w-stacking两种网格化算法,利用SKA-1低频阵台站数据和ASKAP软件包进行模拟观测,对两种算法在不同w-plane参数取值情况下的成图速度和成图质量进行了定量分析对比。结果进一步表明,w-plane是性能改善的重要参数。针对w-projection算法,w-plane取值应比一般给定的经验值大才能得到较好的成像效果。w-stacking算法虽然有很大的速度优势,但算法实现中w-plane的影响更为显著,给出了推荐的w-plane取值。本文的工作是大视场成像算法的基础性研究工作,对未来平方千米阵列科学数据处理中的管线设计有较好的参考价值。     

DSRT三轴低频天线指向误差批量测量和校正方法

稻城圆环阵太阳射电望远镜(Daocheng Solar Radio Telescope, DSRT)作为子午工程二期太阳-行星际探测子系统的重要部分, 工作在150--450MHz频段, 可提供高空间、高时间分辨率的太阳爆发亮温图像. 针对DSRT天线的高精度指向测量以及对指向误差批量标定和校正的需求, 首先根据DSRT独有的三轴座架系统, 通过四元数旋转变换法建立了天线3参数编码器零点误差模型; 然后提出了基于射电源的漂移扫描法获得16个单元天线功率方向图, 并根据2维方向图确定波束中心的方法精确测量了DSRT天线指向误差; 最后用最小二乘法拟合得到模型参数, 并通过天线控制软件重新调整各个轴的零点, 后对调整结果进行验证. 结果表明指向校正方法可靠有效, 校正后16个天线的指向精度为0.5$^\circ$之内, 明显优于校正前3.5$^\circ$的指向误差, 满足误差小于DSRT天线最高工作频率下的1/10波束范围内的要求.     

倒“V”型栅板偶极子天线设计

射电天文在HF-VHF频段采用天线组阵的方式进行观测,根据平方公里阵列(Square Kilometre Array, SKA)的要求,每个阵列单元天线的增益、结构一致性、稳定性、阻抗变化趋势和极化纯度等方面需要达到较高指标,才能满足太阳、木星、再电离纪元等多种测量在极化测量、天线跟踪稳定性以及接收机宽带匹配等方面的需求。根据SKA requirement 2165:极化纯度2135-38和每极化方向灵敏度2814-15提出的性能需求,以及在总结原有设计的经验后,针对10～90 MHz频段,设计了一种适用于HF-VHF的新型倒“V”型栅板偶极子天线,具有重量轻、风阻小等优点,在10～90 MHz的超宽频段内阻抗变化缓慢、极化纯度良好。其中,在阻抗变化方面,天线的阻抗实部从0.8Ω到631.132Ω变化,优于低频射电阵列(Low Frequency Array, LOFAR)的天线,降低了接收机匹配难度和噪声;在极化纯度方面,天线整体轴比小于0.41 dB,对于太阳射电爆发等强极化信号具有良好的极化隔离度。     

行间转移CCD数字系统的VHDL设计

首先分析了KAI-04022行间转移面阵CCD以及模拟前端信号处理器AD9845B的工作原理及控制要求;重点介绍了在QUARTUS 8.0的开发环境下,使用VHDL语言与FPGA器件对此图像采集系统的数字控制部分进行的分析与设计过程,并给出了系统仿真波形图。最后对硬件电路进行了测试,给出了主要输出端口的实测波形,并对仿真与实测波形进行了比较与分析。     

FASTL波段多波束馈源设计的初步分析

把抛物面天线的偏焦理论应用于FASTL波段多波束馈源系统的设计,分析了馈源喇叭横向偏焦距离与相应波束偏离角之间的关系,结合多波束射电望远镜扫描方式的要求,给出了FASTL波段多波束馈源的工作带宽、多波束馈源中相邻喇叭的间距以及喇叭口径大小的限制,并对正六边形阵列中处于不同位置的喇叭对应的波束的主瓣情况作了详细计算和分析。由此说明了FASTL波段多波束馈源采用19波束的可行性。另一方面,根据得到的工作频率带宽和喇叭口径大小的情况,对OMT和喇叭类型的选择进行了探讨。本文给出了FASTL波段多波束系统的大概轮廓,为进一步精确设计指明了方向。     

TM65 m射电望远镜Ku、K、Ka和Q频段天线性能测量

讨论了TM65m射电望远镜Ku、K、Ka和Q4个高频段天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的性能测量工作.首先介绍了TM65m接收系统4个高频段的关键指标,接着对测量工作中需要注意的方面进行了论述,主要包括望远镜指向和副面位姿模型的构建、噪声源的定标以及大气的影响.最后给出了TM65m在这4个频段的天线效率、灵敏度以及系统噪声温度的实测结果.测量结果表明:在最佳俯仰角45°-65°范围内,Ku、K、Ka和Q4个波段天线效率均可以达到约50%,而在较高和较低的俯仰角上,由于主面变形的缘故,效率有明显的下降现象.当俯仰角为50°左右时,4个波段的灵敏度分別为38 Jy、120 Jy、200 Jy和110 Jy.     

射电天文30～300 MHz频段稀布阵列关键技术分析与研究

30～300 MHz的甚高频(Very High Frequency, VHF)频段是重要的射电天文波段,该频段观测采用天线阵组阵方式。稀布阵列具有空间分辨率高、副瓣电平低以及造价低等优点,进一步的天线阵综合加权可以对天线阵主瓣波束进行有效赋形,对最大旁瓣副瓣(Maximum Side Lobe)电平和远区栅瓣(Far Side Lobe)电平进行抑制。首先回顾了射电天文甚高频稀布阵列研究发展和现状,以及将会遇到的难点,提出了首先优化最优稀布天线阵元排布,进一步提出融合高性能计算平台+FPGA SOPC的稀布甚高频射电天文阵列信号处理结构体系,在图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)或者云计算平台上完成对天线阵各阵元频点加权参数的计算,然后通过高速总线将计算参数下发到前端的信号处理板中,通过FPGA SOPC完成对加权参数的配发。进一步分析计算了多波束情况下的数据率,可以实现实时的参数配置。本文成果为下一步大规模甚高频天线阵架设提供了技术依据。     

双线性极化天线的CAPS信号合成捕获算法

针对中国区域定位系统(China Area Positioning System,CAPS)接收机采用圆极化天线接收线极化信号引入极化损失的问题,提出了一种基于双线性极化天线的信号合成捕获算法.算法首先对双线性极化天线接收的两路CAPS导航信号实现捕获,并根据捕获结果进行信号同步;进而利用最大比合并合成两路信号以提高接收信号的信噪比.应用于实测数据的分析表明,合成信号的信噪比相比单路信号信噪比有1.5 dB左右的改善.     

FAST L波段多波束馈源设计的初步分析

把抛物面天线的偏焦理论应用于FAST L波段多波束馈源系统的设计,分析了馈源喇叭横向偏焦距离与相应波束偏离角之间的关系,结合多波束射电望远镜扫描方式的要求,给出了FAST L波段多波束馈源的工作带宽、多波束馈源中相邻喇叭的间距以及喇叭口径大小的限制,并对正六边形阵列中处于不同位置的喇叭对应的波束的主瓣情况作了详细计算和分析。由此说明了FAST L波段多波束馈源采用19波束的可行性。另一方面,根据得到的工作频率带宽和喇叭口径大小的情况,对OMT和喇叭类型的选择进行了探讨。本文给出了FAST L波段多波束系统的大概轮廓,为进一步精确设计指明了方向。     

基于OMR的2．16米望远镜积分视场单元方案

基于积分视场单元的三维成像光谱技术日趋成熟,并且与传统的狭缝光谱仪相比有许多明显的优势。2．16m望远镜的OMR光谱仪是采用平面光栅分光的低色散卡焦光谱仪器,可以考虑对其进行积分视场单元的升级优化。在不改变OMR光谱仪自身结构,不影响现有功能的同时,利用“微透镜阵列＋光纤束”的技术可以实现积分视场单元与OMR光谱仪的耦合。设计了两种方案,给出了升级积分视场单元后的空间分辨率和视场。     

全金属缝隙天线在PAF馈源中的应用

对直线缝隙天线进行了理论分析、仿真和优化设计,并制作出实验样机单元。从天线馈电部分分析入手,采用同轴探针馈电方式,内导体利用多个匹配环来改善工作带宽。与传统直线缝隙天线相比,天线主体增加了腔体缝隙结构,实现了天线样机4～12 GHz频段三个倍频程的带宽,E和H面方向图仿真与测试基本一致。全频段最大增益值在4～8 dBi之间,达到了宽带阵列天线的设计要求,为平方公里阵列射电望远镜馈源的应用提供了可能的选择。