一种天籁计划专用试验天线研制*

朱加炉，陈志平，张巨勇，刘 睿

(1. 杭州电子科技大学， 浙江 杭州 310018； 2. 中国科学院国家天文台， 北京 100012)

一种天籁计划专用试验天线研制*

朱加炉1，2，陈志平1，张巨勇1，刘 睿1

(1. 杭州电子科技大学， 浙江 杭州 310018； 2. 中国科学院国家天文台， 北京 100012)

要使天籁计划小规模天线阵建设顺利进行，就需对天线的结构形式、网面材料和结构、基础设计等进行研究。文中应用现代概念设计方法，根据暗能量的探测原理和国外合作者搭建的2个小型对称抛物柱形网状反射面试验模型所总结的一些设计经验，建立了不对称的小模型抛物柱面试验天线样机。利用全站仪测量系统对天线框架和网面精度进行了校验，得到的天线面的最大变形量和均方差值均满足设定的指标。经过长达2年的天线样机环境试验，获得了多种测量数据，为天籁计划阵列天线的结构设计、制作安装和网面选择提供了参考依据。

柱面天线；结构设计；网面测试

引 言

人类不断探索宇宙起源和演化的奥秘。从20世纪60年代宇宙微波背景辐射的发现到90年代利用COBE卫星观测，在更高精度上发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱，证实了大爆炸宇宙学模型和宇宙物质分布的不均匀性质。1998年宇宙学研究又取得了一大进展，超新星观测发现宇宙正在加速膨胀[1-2]，揭示了暗能量的存在。现代宇宙学研究表明, 恒星等发光物质只占宇宙总密度的0.4%左右，不可见的中微子、黑洞及星系际气体等物质为3.6%左右，剩下的 96%均是不发光的暗物质和具有负压强的暗能量[3]。迄今为止，还无法揭示暗物质和暗能量的本质，也无法利用现有的物理学基础理论和广义相对论进行正确的解释，其解决将掀起一场新的物理学革命。

当前，人们对暗物质和暗能量的探测十分重视，已提出了多种针对暗能量观测的实验设想，其关键在于精确测定出暗能量和暗物质的性质、机理和组成，以检验、区分提出的不同假设模型。为了证实低能过剩、核反冲现象，全球各地从暗物质直接探测原理出发，广泛开展了地下深层实验室的20多项试验。同时NASA等机构发射了伽马射线探测卫星，通过高能宇宙线探测正负电子、质子和反质子及B/C比例，实现对暗物质的间接探测。随着射电望远镜的发展，科学界又提出了通过地面的间接探测。而暗能量射电探测仍处在探索和研究阶段，中国科学院国家天文台及时投入力量，开展暗能量射电探测实验的研究，并命名为天籁计划，力争在这方面的研究中率先跨出第一步[4]。

现有的单口径射电望远镜视场小，而大型望远镜阵列均有针对的观测目标，很难在合理的时间内对暗能量进行高精度观测，很难满足这类观测所需的大天区面积、高灵敏度的巡天观测要求。因此，急需研制一种针对上述暗能量观测的专用射电望远镜阵列，并通过宇宙膨胀背景下中性氢发出的红移了的21 cm波长信号去探测暗能量和暗物质，从而精确描绘出物质的大尺度三维结构分布。对于红移1(波长42 cm)的观测，大约100 m长的阵列即可满足要求。同时，为了提高单像素信噪比，增加积分时间，阵列应基本填满。且与国外合作者在阵列的基本设计、灵敏度估计等方面已有一些初步的研究[5-6]。天籁计划在建设全规模阵列之前，需要建一个由100～200 个接收器组成的射电阵列。通过这一较小规模的先导实验，对相关的实验原理和关键技术进行检验，并根据所得的实验经验来改进暗能量探测的实验设计。根据上述要求，文中对天线阵的天线单元进行了设计和仿真分析，并在某观测站建了6 m ×15 m的天线模型，开展馈源电性能测试、结构力学特性测试、网面调整试验和结构稳定性试验，为最终的阵列建设积累经验及提供设计依据。

1 天线总体方案设计

利用红移21 cm信号，测量重子声波(Baryon Acoustic Oscillation：BAO)的振荡峰，实现暗能量的探测，虽然对望远镜接收面积的要求并不太高，但望远镜干涉阵列需要有几百到几千个接收单元，才能满足大视场、高灵敏度、高精度的较高观测精度要求。

选用射电望远镜天线的形式与观测频率(或波长)有关。计划观测的波段为分米波段，如果采用振子天线，阵列的技术难度和所需的建造成本会因振子单元的接收面积太小而偏高。若采用具有汇聚电波、增大单个单元接收面积的碟形或柱形抛物反射面天线阵列，原则上都能较好地实现暗能量的观测，但各有所长。对碟形天线而言，技术相对较成熟，2个极化的响应比较对称；而抛物柱形天线在垂直柱面方向上能聚焦接收信号并能降低干扰，沿柱面方向上则能提供一个比较均匀的视场。

在天线阵布局方面，排列方式(例如阵列的排列方式)是一个重要的问题。紧凑的排列有助于延长天区的有效观测时间，提高单像素信噪比。不过，从改进UV覆盖、提高角分辨率考虑，也可以在柱面间安排一些间隔，这有助于识别点源。

天线的宽度和形式等也将影响系统的性能。天线宽度的增大或者接收面积的增加都可提高天线的增益，对于柱形金属网反射面而言，其成本增加也不多。但较宽的天线波束较窄，对于静止不动、依靠地球旋转实现巡天的望远镜，会减少天区的积分时间。对于天线的馈电型式，目前考虑了2种类型：中心馈源方式和偏置馈源方式，如图1所示。对天线的最佳宽度和形式，还将进行进一步的模拟研究，以找到最佳方案。

图1 柱形反射面天线形式

2 单元天线样机实验

调研表明，这样的大规模暗能量阵列，目前世界上完整的工程先例非常少，只有合作者Jeff Peterson 教授、彭威礼教授、Reza Ansari教授等曾于2007年在美国Carnegie-Mellon大学搭建过2个对称设计的小型抛物柱形网状反射面试验模型，因此在建设大规模天线阵列前，需要先建立小规模天线阵列样机进行多方面的技术研究。由于合作者所建的试验天线为小口径的对称抛物柱面天线阵，因此考虑先建1个与工程口径相似的不对称抛物柱面天线阵的单元实验天线，对这2种不同形式的天线进行对比研究，以进一步积累经验。

实验单元天线阵用于检验结构设计的力学性能和网状反射面的材料性能等，它长6 m，宽15 m，设计成钢、铝型材与混凝土混合结构。利用该天线，可以对多种网面材料进行实验，开展馈源电性能测试、结构力学特性测试、网面调整试验和结构稳定性试验等，从而为系统的优化设计提供依据。试验天线作为天线阵的一个单元模型，其总体结构参数如下：模型比1 ∶ 1；装配单元长度6 m；装配单元口径15 m；馈源高度7.8 m；天线结构离地面的最低高度30 cm；天线反射面为抛物柱面。

2.1 天线实验样机的技术指标

实验采用的专用抛物柱面天线为固定式，没有运动部件，所需天线精度也较低，因此天线的结构设计可以简化。但天线工作环境比较苛刻，尤其是必须面对恶劣天气(大风、雨雪、严寒、酷暑、沙尘等)的影响。

抛物柱形反射面天线所需的口径为15 m，焦径比为0.38，工作中心频率为700MHz，并要求表面精度≥1 cm(rms)，谐振频率>5 Hz。环境适应性则要求：1)工作环境温度为-30 ℃～65 ℃；2)风载：7级风(15 m/s)保精度，12级风(36 m/s)不破坏；3)抗地震烈度等级为7级。

2.2 天线实验样机的结构设计

天线结构一般由反射面、天线面支撑架、基座、馈源和馈源支撑架组成。天线面支撑架主要由背架、调整机构和支撑机构组成；馈源支撑架主要由馈源装调机构、撑杆及预紧机构组成。为便于加工和装调，设定装配单元长度为6 m，前期已经建立了试验天线模型，其具体结构如图2所示。

图2 天线阵装配单元结构图

专用实验天线的馈源数量很多，尺寸较大，这给设计与研制增加了难度，当柱面天线尺寸较大、馈源高度较高时尤其如此。所采用的非对称抛物柱面设计便于馈源的安装和维修。该天线只采用最终建成的天线阵的1个单元，旨在对天线机械结构的性能、网面材料及网面框架大小进行实验及测试，为最终天线设计和天线阵的建设提供参考。

2.2.1 天线基座设计

天线基座采用钢筋混凝土结构，它是整个天线的基础支撑物，主要承担天线面、馈源及相关辅助设备的自重载荷，并抵抗风、雪、沙暴等恶劣载荷。考虑到基座的负载和所处的环境，混凝土选择C30，由4个主基座和20个辅助基座组成，如图3所示。

图3 基座的布局

2.2.2 天线网面和网面支撑架的结构设计

专用试验天线的中心工作频率为700 MHz，天线接收电波的最短波长约为21cm。当接收波长大于10 cm时，天线反射面一般都采用网状反射面，而该天线接收波长约为21 cm，必然会采用网状反射面。考虑到金属丝网的平整度、防腐处理方法、成本等，此实验单元天线的网面选用钢板网反射面。

网面支撑架框式的背架和调整机构如图4所示。背架是射电望远镜设计中重要的部分，背架设计是天线设计的关键。它的主要作用是使反射面保持精确的面形。对于口径较小的天线，背架的设计并不复杂。而当天线口径较大或者要求精度较高时，所使用的桁架结构就需要优化。该天线由于尺寸较大，采用T型铝与角铝连接而成的框式结构，其主要作用是支撑网状天线面，通过调整结构保证其面形精度。调整机构主要分布在T型铝的两端和中段，通过微调天线背架节点的位置，提高反射面上节点的精度。

图4 调整机构位置和结构

2.2.3 天线馈源支撑架结构设计

馈源支撑结构由馈源支撑杆、馈源装调机构及预紧机构组成，如图5所示。馈源桁架由角钢焊接而成，两端安装在2根主支撑杆的上端面法兰上，与主支撑杆连接的角钢在天线口径方向上开长孔，使馈源桁架可在天线口径方向进行微调。安装馈源的调整机构由调节螺栓连接在支撑桁架上，通过调节螺栓长度可以微调馈源的高度。

预紧结构的主要作用是提高天线结构的刚度和稳定性，增加抗倾覆能力。在主支撑杆和馈源支撑杆的3个方向上用钢丝索拉紧，分别通过U形环、花兰螺栓和地面上地锚的连接作用调整钢丝绳索的预紧力。

图5 馈源支撑结构和预紧索具

3 天线反射面测试

天线反射面精度是影响天线性能的一个主要因素，也是衡量天线机械性能的3大指标之一。反射面精度的好坏不仅对口面效率造成直接影响，还影响天线方向图的主瓣宽度和旁瓣结构。因此测量天线的表面精度，可以间接推算出它对天线电性能的影响。天线面的精度要求与工作波长或频率有关，它决定接收的最短波长，且表面精度与天线工作频率成正比[7]。一般要求天线表面精度是工作波长的1/16～1/32，而测量精度要达到表面精度的1/3～1/5[8]，这对天线反射面的测量提出了要求。

3.1 天线反射面的测量方法

精密测量手段和方法在天线结构系统中的应用，使天线测量有更大的灵活性和精确性。较常用的测量方法有经纬仪测量法、摄影测量法、激光跟踪测量法和全站仪测量法等。其中，经纬仪测量系统具有工作时无需接触、范围广和精度高达±0.05～±0.2 mm的突出特点，故在天线制造业中得到了广泛应用。摄影测量系统则适用于高频率场合及变形等动态场合。激光跟踪测量系统的坐标重复测量精度达到5×10-6mm，适合于天线模胎及单块面板的测量及质量评定。而全站仪测量系统虽然没有上述3个测量系统精度高，仅为±0.2～±0.5 mm,但具有成本低、操作方便、建立测量坐标快、维持时间长及测量范围大(从几米到200 m之间)等优点。因此，全站仪测量系统非常适用于试验天线面精度的检测和校核。

实验数据显示，全站仪在大尺寸范围内具有良好的测量性能，可与经纬仪坐标测量系统相媲美。例如，美国Arecibo望远镜的首次安装测量就采用了全站仪进行控制测量，控制网的精度为1 mm；美国EMS公司也成功地将该系统用于15 m口径的卡式毫米波射电望远镜、10 m × 7 m的紧缩场天线以及26 m天线口径的厘米波跟踪雷达天线的安装测量和变形测量；NARO的Green Bank Telescope采用全站仪结合经纬仪进行了安装测量，得到的表面精度为±1.1 mm；美国国家导弹防御系统中的GBR-P雷达，口径14 m，采用TDM5005全站仪进行了安装测量及重力变形观测，测量精度为±0.5 mm[9]。因此，采用全站仪完全可以满足该天线2 mm反射面表面精度的测量要求。

3.2 天线框架精度的测量

此次测试中最重要的仪器为全站仪(型号为RTS312)，此外还有人工标志。可根据试验天线的精度测试结果，通过调整节点位置，提高天线座架结构精度，进而改善反射面的精度。同时可以检验试验装置结构与装调方法的可行性，并通过数据分析，得出不同丝网的优劣及框架细分方法的好坏。

检测天线整体背架的基本尺寸，包括背架的长度、宽度以及垂直关系。建立合适的坐标系(以下测量均采用此坐标系)，并用卷尺测出如图6所示的网面各条线的长度，测量对角线可检测长宽方向的垂直度。在测试时选择了整个网面最右下方的点作为基准点，并贴上了标签纸，如图6所示。

图6 网面

将全站仪架设在距离网面基准点约3 m处，并调节好全站仪的水平度，选择坐标测量方式。首先用标签纸贴出每个调整点的位置，用全站仪测出在N-E坐标系下的三维坐标(e，n，z)。由于N-E坐标系与建立理论方程的坐标系存在一个方位角θ，所以将测得的点N-E坐标输入至AUTOCAD中，得到方位角为126.378 320 38°，然后利用坐标系角度变换公式进行坐标变换。坐标变换公式如下：

X=e× cosθ+n× sinθ

(1)

Y=n× cosθ-e× sinθ

(2)

背架实测数据表明：在Y轴方向，2段长度分别为6 000 mm和6 003 mm，相差3 mm；在X轴方向，长度分别为15 360 mm和15 365 mm，相差5 mm；对角线长度分别为16 490 mm和16 495 mm，相差5 mm。由此可知，柱形天线的矩形口径面的变形量非常小，最大方向相差5 mm。

3.3 网面测试结果与分析

3.3.1 数据处理

首先，利用式(1)、式(2)对所有测得的标志点进行转换，得到这些点在理论坐标系中的X坐标、Y坐标，并求出误差δz。由于天线处于室外环境，部分网面遭到小动物的破坏，所以在测量中，去掉一些明显被破坏的点。

将上面测得的点代入均方差公式即式(3)，得到网面精度均方差，结果见表1。

(3)

对此次测试的网面，在整个网面内要求达到的精度在±10 mm以内，因而根据此次测试结果，网面整体性能达到了指标要求。

3.3.2 网面分析

根据不同的网面材料和安装方式，整个网面可以分为以下几片区域，如图7所示，各网面分块的均方差见表2。

图7 网面分块分析图

网面名网面2网面6网面3网面5网面1网面4上网面均方差/mm6.737.347.788.559.6410.3410.75

图7中上半部分的网面采用焊接网，其特点是网面可软可硬，但不易整平。网面在焊接后局部不够平整，均方差结果明显大于下半部分网面。网面6也采用了焊接网，并且使用了网片框架，但制作方法不方便，效果也不好。网面1到网面5均采用钢板网，其特点是网面可软可硬，软硬有方向，可整平、轧平。比较下半部分的网面从网面1到网面5，可发现：经过整平的网面2和网面3效果好于其他区域网面，而且使用框架结构的网面2上测点的均方差最小，效果最好。

综上所述，得到以下网面测试分析结果：

1)该天线的制作使网面达到了项目要求的网面精度要求；

2)根据网面的实际效果和测试数据，倾向于选择钢板网；

3)钢板网网面可以整平后热镀锌处理；

4)网面装夹采用框架结构可以明显提高网面精度；

5)在实际使用过程中，天线网面需要适当加强网面保护，尽量避免网面遭人与动物踩踏。

4 实验天线静置和环境试验

试验天线样机经过了2年的静置和环境试验，经历了风、雨、雪等恶劣天气。采用全站仪对6 m × 15 m天线模型样机的网面精度进行了复查，检测了静置实验后的天线变形情况，如图8所示。

图8 静置和环境实验后的天线样机

对网面检测数据分析如下：

1) 框架部分的网面精度总体均方差为7.8 mm，其中第1条T型铝有明显下沉，平均下沉10.6 mm；去除第1条T型铝后的框架部分的网面精度均方差为4.2 mm。表明框架总体变形不大，刚性足够。

2) 网面精度总体均方差为19 mm，其中网面数据以下沉为主。说明框架的框格大小需要进一步细分以减少网面下沉。

3) 网面周边需要焊接框架，便于固定，否则网边容易脱离， 如图9所示。

4) 网面丝需要镀锌处理，只用防锈漆喷涂效果不理想。

5) 天线结构离地面的最低高度需要在1 m左右，因为需要考虑野草生长及蔓延问题。

5 结束语

现代概念设计方法在工程中的应用给天线系统结构设计提供了科学的方法，极大地提高了结构设计的效率、可预见性和合理性。

该天线为天籁计划小规模天线阵的一种方案试验样机，旨在通过实验检验结构的合理性和网面结构选择的正确性。根据实际情况，选择全站仪系统测量天线反射面的精度，最终通过提取天线抛物面上的测量点数值，计算它们的均方差。计算结果分别为整体网面8.53 mm，框架调整点3.69 mm，整体框架5.08 mm。天线面的最大变形量和均方差值均满足设定的指标要求。天线样机历时2年的静置和环境试验，对网面的选择和支撑结构的设计提供了改进方向，为天籁计划天线阵的结构设计、制作安装和网面选择提供了参考依据。

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朱加炉(1989-) ，男，硕士，主要研究方向为机械电子。

Development of Special Test Antenna for Tianlai Project

ZHU Jia-lu1,2，CHEN Zhi-ping1，ZHANG Ju-yong1，LIU Rui1

(1.HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018,China；2.NationalAstronomicalObservatories,ChineseAcademyofSciences,Beijing100012,China)

In order to make the construction of the small antenna array in Tianlai Project go smoothly, research on the antenna structure form, reflector material and structure, infrastructure design is required. In this paper the asymmetric parabolic cylindrical test antenna prototype is set up based on the modern concept design method, the detection principle of dark energy and the design experience from foreign partners by building two small cylindrical symmetric mesh reflector test models. The precision of antenna framework and net surface is measured with the total station instrument. Both the biggest deformation and the mean-square deviation of the reflector meet the requirement. After 2 years′ environmental test, many different measurement statistics of the antenna prototype are obtained, which can provide reference and basis for the structure design, manufacture & installation and net surface selection of the antenna array of Tianlai Project.

cylindrical antenna; structure design; surface test

2014-07-14

国家863高技术研究发展计划基金资助项目(2012AA121701)

TN82

A

1008-5300(2014)05-0032-05