射电频谱日像仪2 m天线设计

刘 超，牛传峰，耿京朝，杨国栋，赵东贺

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.射电天文技术联合实验室，河北石家庄050081)

0 引言

射电天文学是利用射电望远镜系统［1］在无线电波段研究来自深空的射电波。新一代厘米－分米波射电日像仪项目的一个主要目标是研究太阳高能粒子源区的特性与输出;确定太阳高能粒子源区的不稳定磁场位形、位置和其他等离子体参数的重构;分析导致太阳剧烈爆发活动的非稳定磁场结构特征，结合其他各波段观测数据确定磁场结构及等离子体参数特点，探测高能粒子输出的磁场位形，从而研究日冕磁场的动力学结构与演化。

建设新一代厘米－分米波射电日像仪将首次在该波段上实现同时以高空间、长时间和高频率分辨率观测太阳活动，探测日冕大气，对于太阳物理研究具有重要作用［2］。同时，随着我国射电天文事业的发展，宽带、超宽带双极化馈源的需求越来越广泛，在SKA项目中有较广阔的应用前景。

1 天线介绍

射电频谱日像仪CSRH－II期工程在2～15 GHz频率范围内高分辨率观察太阳活动，其科学研究目标包括瞬时高能现象、日冕电磁场以及太阳大气结构。

由60面口径为2 m高频天线组成的天线阵(2～15 GHz)是射电日像仪高频阵II期工程的重要组成部分，天线的主要特点是:采用新型馈源能同时高效宽带［3］接收左/右旋圆极化信号［4］;采用赤道式天线座架及高精度步进电机，具有形式简单、可靠性高、跟踪精度高以及跟踪范围大等优势;由天线控制单元控制天线主瓣波束指向并跟踪太阳;60套天线可由天线控制计算机同步控制，也可以由天线控制计算机单独控制每部天线;天线系统具有自校准功能和完善的故障诊断功能。反射面天线的主要性能指标如表1所示。

表1 2m天线指标

2 天线设计

2．1 系统组成

2 m天线由馈源、天线反射面、天线座架和天线伺服控制装置组成。馈源支撑采用对称结构，面板采用板面形式。

天线反射面由整体实板反射面和反射面背架组装而成，图1是2 m天线的组成框图。

图1 2m天线组成框图

天线座架由赤经支撑座架、赤经轴承座组合、赤经大齿轮、赤纬托架、赤纬轴承座组合、赤纬大齿轮、赤经驱动装置、赤纬驱动装置、驱动及齿轮密封箱体和配重等组成;伺服控制由天线监控计算机、天线控制器、天线驱动单元、控保电路、电源和对外接口等组成。

2．2 天线座架组成

2 m天线座架采用赤道式座架，赤经轴平行于地球自转轴［5］，根据太阳的赤纬角调整赤纬轴(电动实时跟踪调整赤纬角)，使天线对准太阳，然后转动赤经轴，抵消地球的转动，就能使天线始终对准太阳。天线座架外形图如图2所示。

图2 2 m天线座架外形图

2．3 天线反射面

2 m天线反射面采用板式前馈抛物面形式。参数如下:

反射面直径:D=2 m;

反射面焦径比:F/D=0．4;

馈源对反射面半照射角:ψm=64°。

2 m天线反射面由由实板反射面、反射体骨架及馈源支撑组成反射面和馈源支撑组成，反射面用1．5 mm的LY12－M铝板整体旋压成形，周边打弯增强其刚度，其特点是:成型简单、工艺性好，与骨架装配后具有较高的刚度，一致性好。图3是2 m天线反射面的结构示意图。

图3 2m天线面结构示意图

2．4 宽频带馈源

宽频带馈源采用对数周期天线为单元，对数周期天线采用大张角设计［6］，缩短单个馈源的纵向尺寸，最大限度地减小馈源对反射面天线口径的遮挡。宽频带馈源［7］设计保留标准对数周期天线的非频变特性，即当频率f连续变化时，天线的电特性随着频率的对数作周期性变化。

为了获得对称的方向图，以实现对反射面的均匀照射，对于每一个工作频率f，相同极化天线单元的有效工作区间距为0．5λ，以实现对称的E、H波瓣宽度。同时，对于每一个工作频率f，天线单元的有效工作区与天线地板的间距为0．16λ，确保天线的相位中心位于天线地板的中心［8］。当频率f连续变化时，相同极化天线单元的有效工作区的间距、有效工作区与天线地板的间距的电长度保持不变，因此宽频带馈源［9］可以在很宽的频率范围内实现对称的E、H波瓣宽度，稳定的相位中心［10］以及优良的交叉极化特性等，这是反射面天线馈源的主要技术指标要求。加工的宽带馈源照片如图4所示。

图4 2－15GHz宽带馈源照片

3 测试结果

对射电频谱日像仪2 m天线的方向图进行了测试，图5、图6 和图7 为2 m天线在f=2 GHz、f=8 GHz、f=15 GHz的实测方向图［11］。从测试结果中可以看出，第一副瓣电平优于－14 dB，满足指标要求。在研制过程中创新性地解决了低损耗馈电技术、宽频带高性能圆极化电桥技术、馈源的宽带匹配技术等，通过一系列措施使天线效率有了较大幅度提高。2 m反射面天线实测效率值如表2所示，可以看出全频带内效率值大于40%。同国外同类型天线相比，在高频端效率有优势。

图5 f=2 GHz天线实测方向图

图6 f=8 GHz天线实测方向图

图7 f=15 GHz天线实测方向图

表2 2m天线效率随频率变化表

4 结束语

介绍了一种采用赤道式座架的2 m极轴天线，设计了宽频带双圆极化馈源，解决了若干关键技术问题，如宽频带圆极化电桥设计技术，高效率馈源技术，低损耗馈电网络以及极轴座架形式等。测试结果表明指标满足应用需求。

［1］ 颜毅华，张坚，陈志军，等．关于太阳厘米—分米波段频谱日像仪(CSRH)研究进展［J］．天文研究与技术，2006，3(2):91 －98．

［2］ YAN Y H，ZHANG J，HUANG G L．On the Chinese Spectral Radioheliograph(CSRH)Project in cm－and dmwave range［C］∥ Radio Science Conference，2004 Asia-Pacific，2004:391 －392．

［3］ 王彩华，陈晓光．一种改进的宽带微带天线设计［J］．无线电工程，2011，41(11):43 －45．

［4］ 刘亮，郭健．一种宽带3 dB耦合器的设计与分析［J］．无线电工程，2013，43(6):34 －36．

［5］ 张亚林．太阳射电观测系统的极轴天线座架设计［J］．无线电通信技术，2009，35(5):40 －43．

［6］ YANG J，CHEN X，WADEFALK N，et al．Design and Realization of a Linearly Polarized Eleven Feed for 1－10GHz［J］．IEEE Antennas Wireless Propag．Letter，2009，8:64 －68．

［7］ OLSSON R，KILDAL P S，WEINREB S．The Eleven Antenna:A compact Low-profile Decade Bandwidth Dual Polarized Feed for Reflector Antennas［J］．IEEE Trans．Antennas Propag，2006，54(2):368 －374．

［8］ YANG J，KILDAL P S．Calculation of Ring-shaped Phased Centers of Feeds for Ring-focus Paraboloids［J］．IEEE Trans．Antennas Propag，2000，48(4):524 －528．

［9］ AGHDAM K M P，FARAJIDANA REZA，JALIL R M ．The Sinuous Antenna-a Dual Polarized Feed for Reflectorbased Searching Systems［J］．AEUE-International Journal of Electronics and Communications，2005，59(7):392－400．

［10］张志华，陈辉，秦顺友，等．馈源喇叭相位中心测量及误差分析［J］．无线电通信技术，2011，37(5):28 －30．

［11］ JOHNNSON R C．Antenna Engineering Handbook［M］．USA:McGraw-Hill，inc，1984．