大口径反射面天线技术综述

杜　彪，伍　洋，张一凡，刘国玺

(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)



大口径反射面天线技术综述

杜彪1,2，伍洋1,2，张一凡1,2，刘国玺1,2

(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)

摘要：大口径反射面天线是射电天文观测和深空探测的关键设备之一。介绍了国内外大口径反射面天线的发展现状，描述了几个代表性大口径天线的主要指标和技术特点，重点论述大口径反射面天线的微波光学设计、馈源网络、频段切换、结构型式选择与保型设计、高精度面板设计与制造、主动反射面和伺服控制等关键技术及实现方法，最后给出了其技术发展方向。

关键词：射电望远镜；反射面天线；馈源网络；保型设计

0引言

随着对宇宙探索的不断深入，对天线系统的灵敏度和分辨率要求越来越高。为了提高天线的灵敏度和分辨率，需要增大天线的有效接收面积和降低天线系统的噪声温度，而大口径反射面天线是增大天线有效接收面积的有效途径之一。天线的高效率、低噪声温度和高指向精度等指标一直是人们追求的目标。随着计算机、电子等科技的进步，反射面天线诸多技术得到了较大发展，并助推了许多重大的科学探索和发现。

关于大口径天线没有严格的定义，本文将针对35 m口径以上的全可动反射面天线，介绍其国内外发展现状，详细给出国内外具有代表性大口径反射面天线的主要性能及特点，然后重点论述大口径反射面天线的关键技术及解决方案，最后介绍其技术发展方向。

1大口径反射面天线的发展现状

射电天文观测和深空探测应用需求推动了大口径反射面天线技术的发展，世界上美国、德国、英国、澳大利亚、俄罗斯、意大利、中国等相继建设了大口径射电望远镜天线和深空站天线。由于大口径反射面天线主要用于射电天文观测和深空探测两大领域，下面将介绍具有代表性的大口径射电望远镜和深空站天线的基本情况、主要指标和技术特点等。

1.1　国外发展情况

1.1.1大口径射电望远镜天线

上世纪50年代以来，英国、澳大利亚、德国、日本、美国、意大利等国相继建成了Lovell 76 m (1958)[1]、Parkes 64 m(1961)[2]、Effelsberg 100 m (1972)[3]、野边山45m(1982)[4]、Green Bank 100 m (2000)[5]和Sardinia 64 m(2012)[6]等射电望远镜。

(1)德国100 m射电望远镜

德国Effelsberg 100 m望远镜是世界上最经典、最优秀的射电望远镜之一，迄今为止其设计理念还非常值得借鉴。它于1968年开始建造，1972年8月投入观测。该望远镜采用标准格里高利天线形式，主面直径100 m ，副面直径6.5 m，工作频率0.8～96 GHz，主反射面由17环2 372块面板组成，接收面积7 854 m2，其中76 m以内为实面板，76~100 m为网面板，总表面精度为1 mm，指向精度为5″，整个天线重量为3.2×106kg，100 m望远镜的照片如图1所示。

图1　Effelsberg 100 m望远镜照片

该望远镜突出的特点是：首次在天线结构设计中采用了保型设计，主面精度优于1 mm；首次将主动反射面技术引入天线的设计(用于副反射面设计，可校正主面的重力变形)，通过两次升级后[7]，实现了在9 mm波段，效率η=45%；7 mm波段，效率η=40%；3 mm波段，效率η=18%。

由于望远镜采用标准格里高利天线型式，P和L频段馈源和接收机放在第一焦点(主焦)，使用时副反射面中心区域面板打开，馈源从副反射面后面伸出到第一焦点。其他馈源放置在第二焦点的焦平面上，副反射面对准需要工作的馈源从而实现频段切换。这种馈电与频段切换方式原理简单，易容纳较多馈源，可靠性高，但会引起一定的增益损失和旁瓣升高。在40多年后的今天，对于从0.3～110 GHz全频段覆盖的应用，该馈电和频段切换方案仍是一种简单、高效、高可靠性的频段切换方式。

(2)美国100 m射电望远镜(2000)[5]

美国GBT 100 m射电望远镜是世界最大的单口径全可动射电望远镜，建造历时12年，2000年开始投入天文观测。该望远镜采用双偏置标准格里高利天线型式，主反射面尺寸为110 m×100 m，但实际使用口面(投影口面)直径为100 m，副面尺寸为8 m。由于采用偏置结构，避免了副反射面、馈源和支撑架对主反射面及馈源对副反射面造成的射线遮挡，增大了有效接收面积。工作频率0.1～115 GHz，馈源与接收机分别位于第一焦点和第二焦点，主反射面由2 004块主动面板组成，有效接收面积为7 854 m2，总表面精度为0.35～0.4 mm，指向精度为3″，整个重量为7 856 000 kg，GBT 100 m望远镜的照片如图2所示。

图2　GBT 100 m望远镜的照片

该望远镜突出的特点是：

采用双偏置格里高利天线型式，主反射面没有遮挡，有效接收面积最大；

主反射面采用了主动调整系统，以克服随仰角变化时重力变形引起的面形精度降低，从而保证高频观测所需的面型精度；

最高工作频率为115 GHz，配备有高性能(多波束)接收系统。

1.1.2大口径深空站天线

世界上深空网的大天线主要是30 m级(32 m、34 m和35 m)和60 m级(64 m和70 m)的天线，国外主要分布在美国、俄罗斯、澳大利亚、西班牙、日本和印度等国家[8]。深空站天线与射电望远镜天线的不同之处是增加了发射功能，工作频段为S、X和Ka三个频段。下面重点介绍美国70 m深空站天线。

美国DSN 70 m天线[9]是1989年由64 m天线升级而成的，是深空网中口径最大的天线，该天线于1966建成，位于加利福尼亚戈尔德斯顿深空站，采用卡塞格伦天线型式，主反射面口径是64 m，副反射面直径为6.09 m(后升级到8 m)，工作频段为S频段(2.11～2.12 GHz发射和2.29～2.3 GHz接收)，后来升级到X频段(7.145～7.19 GHz发射和8.4～8.45 GHz接收)，计划未来升级到Ka频段(34.2～34.7 GHz发射和31.8～32.3 GHz接收)。主反射面由552块面板组成，在45°仰角下总表面精度为1.22 mm，后来升级到0.65 mm。

该天线突出的特点是：采用卡塞格伦天线型式，L、S、X、Ka四个频段馈源位于第二焦点馈电，S、X、Ka三个馈源的相心放置在第二焦点的焦平面内一个圆周上，圆的半径为1.08 m，圆心与天线的第二焦点重合。频段之间的切换采用副反射面绕天线的对称轴旋转方式实现。

为了实现S和X两个频段同时工作，后来采用了双色性反射馈源系统进行馈电，它由S和X频段两套馈源、一个双色平面镜和一个椭球反射镜组成。X频段馈源发射或接收的电磁波信号可透过双色平面镜给副反射面馈电或接收副反射面反射的信号；S频段信号经双色平面镜反射后射向椭球反射镜再聚焦到S频段馈源。

1.2　国内发展情况

1.2.1大口径射电望远镜天线

我国的射电天文研究起步较晚，仅在20世纪八、九十年代建成了2部25 m和一部13.7 mm波射电望远镜。近年来，随着综合国力的增强以及科技实力的进步，我国的射电天文事业开始蓬勃发展。目前，我国已建成性能优良的昆明40 m[10]和北京50 m射电望远镜天线[11]以及上海65 m天马望远镜[12]，在中国的月球探测和宇宙研究中均发挥了重要作用。

2006年建成的密云50 m射电望远镜是当时国内最大的射电望远镜，采用前馈抛物面天线型式，其反射面30 m为实面板，30~50 m为网面板。50 m天线工作于L、S、X和Ku四个频段，采用旋转馈源方式实现频段切换，天线效率优于50%。

上海65 m天马望远镜是总体性能世界排名第四、亚洲第一的全可动射电望远镜，设计和建造历时近4年，于2012年10月建成。采用赋形卡塞格伦天线型式，工作频率1.25～46 GHz(L、S、C、X、K、Ku、Ka和Q八个频段，其中S/X和X/Ka双频工作)，天线口径为65 m，高度70 m，重约2 700 000 kg，反射面精度小于0.3 mm，天线效率优于45%(46 GHz)，指向精度优于3 arcsec。主反射面由14环1 008块高精度面板组成，接收面积为3 318 m2，副反射面直径6.5 m，采用六杆并联系统实现了其5个自由度高精度调整,天马望远镜照片如图3所示。

图3　上海65 m天马望远镜

该望远镜突出的特点是：

采用了赋形双反射面天线最佳吻合反射面的计算方法，提高了整个工作范围内的天线效率；

主反射面采用了主动调整系统，以克服随仰角变化时重力变形引起的面形精度降低，从而保证高频观测所需的0.3 mm面型精度；

采用了全轨道高精度焊接技术，42 m直径轨道的不平度小于0.45 mm；

采用了大尺度高精度面板设计与制造技术，主面单块精度小于0.1 mm，副面单块精度小于0.05 mm；

采用了六杆并联机构调整技术，实现了副反射面的高精度实时调整和L频段功能切换。

1.2.2大口径深空站天线

在深空探测领域，我国已分别在佳木斯和喀什建成了66 m和35 m深空站天线。两部天线均采用卡塞格伦形式，波束波导方式馈电。35 m天线采用全实面板，工作频段为S/X/Ka，其中Ka频段仅有接收功能；66 m天线采用实面板和网面相结合方案，工作频段为S/X频段。66 m天线照片如图4所示。

图4　66 m天线照片

2关键技术

2.1　微波光学设计

射电望远镜天线要求具有极高的灵敏度，即有效接收面积越大，噪声温度越低，望远镜性能越好。微波光学设计的重点就是如何提高给定口径天线的效率、降低天线的噪声温度，主要包括天线与馈电形式选取、几何参数的确定和反射面赋形等设计内容。

天线与馈电形式是决定天线可实现性能最重要的因素之一[13],天线形式主要取决于工作频率、性能、成本和馈电方式等因素。反射面天线从结构上，可分为正馈(旋转对称结构)和偏置馈电两种，每种又可分为单反射面和双反射面天线两种。旋转对称反射面天线优点在于光学设计相对简单，且结构设计和制造的成本较低，这一点对于大口径反射面天线尤其重要。缺点是馈源和副反射面(双反射面天线)及其支撑会对反射面造成遮挡，造成增益损失和远旁瓣升高。大口径反射面天线通常选择赋形格里高利和卡塞格伦天线，格里高利天线更容易实现前馈和后馈照射。馈电形式主要考虑馈源形式、数量和馈源仓空间等因素，其具体方法详见2.3节。

几何参数的选取主要包括照射角、主反射面焦径比、主副镜直径比等。照射角的选择主要考虑与馈源的匹配和对天线波束扫描性能的影响。馈源的波束宽度需要与天线的照射角相匹配,波束过宽将导致能量漏失过多，过窄则会降低天线的口面利用效率，二者均不利于天线高效率的实现。反射面的焦径比与照射角相关，天线的焦径比越小，其波束指向对馈源的横向偏焦越敏感。反射面天线是准光学系统,而反射面电大尺寸是准光学成立的重要条件。一般来说,为实现较高的截获效率,副反射面的尺寸需要达到25个波长以上，一般副面直径与主面直径比取≤0.1即可。

反射面天线赋形设计的关键是口径场分布函数的选择，口径场分布决定了天线的辐射特性。一般来说,天线口径的场分布越均匀，天线的增益越高，相应的旁瓣也越高，导致天线接收到更多的环境噪声温度，而灵敏度与天线的增益和噪声均密切相关，因此，口径场分布函数应以天线灵敏度最优进行优化获得。

2.2　馈源网络技术

馈源网络是反射面天线的心脏，其性能好坏对天线性能有着决定性的影响。由于波纹喇叭能在一个倍频程内具有旋转对称的辐射方向图、低回波损耗和低交叉极化等优良性能，常常用作反射面天线的馈源。

由于射电天文和深空探测都要求天线工作在多个频段上，馈源工作频段的扩展、数量的减少将大大增强整个系统的工作能力，并降低运行维护成本，因此多频段共用和超宽带馈源网络一直是大口径反射面天线的关键技术之一。此外，由于同时观测多个目标和大视场观测的需要，对多波束馈源的需求也越来越迫切。

多频段馈源主要有共喷口馈源和组合馈源两种。前者多个频段同时共用一个馈源，即共用一个喇叭口接收和发射各频段信号，然后利用微波网络进行频段和极化分离，其常用波纹喇叭来实现，可采用的波纹槽形式有双槽结构[14]、双槽深[15]和环加载槽[16]。组合馈源是指各个频段用各自辐射口接收和发射信号，即各频段信号走自己的通道。常见的组合馈源有两种馈源：一种是中心喇叭加周围4个拼阵喇叭[17]；另一种是中心喇叭加外面同轴喇叭[18]。组合馈源适用高频段与低频段比值较大的情况，如4∶1以上，同时照射角较大。

由于传统馈源的工作带宽仅有一个倍频程左右,望远镜天线往往需要配备数套不同频段的馈源。若其能够配备超宽带单波束馈源,则不仅能获得超宽频带观测能力,提高射电望远镜灵敏度,而且能有效减少接收机数量,降低工程建设和运行维护成本。目前，超宽带单波束馈源主要有Eleven Feed馈源[19]、QSC (Quasi-Self- Complementary)馈源[20]、Sinuous馈源[21]和四脊喇叭(Quad-Ridge Flared Horn)[22]等。就辐射机理而言，除四脊喇叭外，其余馈源均采用非频变天线设计理念。Eleven馈源和QSC馈源借鉴了对数周期天线的设计，并在馈电端引入金属反射板，将天线的相位中心稳定在馈电点附近。采用非频变天线设计的优点在于馈源方向图波束宽度和相位中心随频率变化较小，且高度较低，缺点是天线需要四端口甚至八端口馈电，即需要4个或8个放大器，其一致性难于保证，如采用2个端口馈电，宽带平衡馈电较难实现。此外，由于馈源的结构形式在宽频带难以真正实现与频率无关，因此天线在某些频点及高频段的性能不可避免地劣化。四脊喇叭利用脊波导截止波长较长的特性，以逐渐张开的四脊波导实现能量的双极化宽频带定向辐射。其特点是馈电方便，插入损耗较小，尤其是通过优化设计后，其照射效率可在70%以上，且在整个频带内波动较小。因此，它将是超宽带馈源的首选之一。

多波束是馈源网络技术的另一个发展方向，采用多波束观测是扩大射电望远镜视场、提高巡天速度的最直接的途径。以往主要通过增加馈源数量的方式实现多波束，这一方案的主要缺点在于：受馈源物理尺寸的限制，各馈源相位中心相距较远，因此波束间隔较大，无法实现连续的天区覆盖。同时，偏离焦点的焦面场与馈源口面场失配，导致偏轴波束性能下降。而新兴起的相控阵馈源[23]可以很好地解决这些问题。该技术以放置在反射面天线焦平面附近的小型相控阵天线作为多波束馈源，与传统的多波束馈源相比，相控阵馈源能够同时提供数量更多、相互交叠且性能更为相近的波束，有效提高射电望远镜的巡天速度。还能够通过适当赋权的波束合成,提高望远镜口径效率，同时抑制远旁瓣，降低漏失引起的噪声温度，提高射电望远镜的灵敏度。目前国际上主要有荷兰ASTRON、美国BYU/NRAO、澳大利亚CSIRO和加拿大NRC等国的研究机构在进行相控阵馈源技术研究。此外，我国也正在以500 m球面射电望远镜(FAST)为对象，开展了研究工作。

对于大口径反射面天线的馈源网络而言，低噪声放大器和制冷杜瓦的设计也十分重要。低噪声放大器是系统噪声的主要贡献之一，其噪声与自身特性、与馈源网络的匹配以及工作温度密切相关，因此常常制冷到极低的温度。对于不同的馈源网络而言，如何设计使阻抗与低噪声放大器匹配，以及与馈源网络结构相适应的制冷杜瓦，都十分重要。

2.3　频段切换技术

由于单个馈源的带宽有限，难以满足天线工作需要，大口径反射面天线往往同时配有数个馈源。而各个频段馈源大小不一，馈源相心距口面距离差异较大，同时需要考虑馈源和接收机制冷及线缆缠绕问题，在无遮挡的有限空间内，使每个频段馈源工作时其相心准确置于焦点位置，这就需要选择一个合理的馈电方案和频段切换方式。馈电和换馈方案选取的原则在于用合理的结构来实现良好的电气性能。目前国内外采用的频段切换方式有以下几种：

① 偏焦馈电与副反射面偏转方式，如德国埃菲尔伯格100 m天线；

② 偏焦馈电与旋转二次赋形副反射面方式，如VLA 25m、VLBA 25 m天线；

③ 旋转馈源馈电方式，如美国GBT 100 m天线、上海65 m天线；

④ 爬升馈源馈电方式，如乌鲁木齐25 m天线；

⑤ 波束波导馈电方式，如美国的深空网34 m天线；

⑥ 几种方式结合使用，如意大利的SRT 64 m天线。以上方法各有优缺点，可大体分为以下几类：

馈源的移动可以使得单个馈源的相位中心处于天线焦点位置，如旋转和爬升馈源馈电方式，因此电气性能比较容易保证。但是馈源旋转方案会带来线缆缠绕问题，同时后端接收机、制冷设备也要随馈源网络一起运动，对各个设备的稳定性提出了更高的要求。

波束波导馈电避免了馈源网络及相随设备的运动，不需要解决线缆缠绕问题，但各个反射面、频率选择表面会导致增益损失和噪声温度的提高。

偏焦馈电与副反射面偏转方案结构简单，可靠性高，但电气性能有一定损失。

偏焦馈电与旋转副面方案通过对副反射面进行二次赋形，使其焦点偏离主面对称轴，当副面旋转时其焦点轨迹为一圆周，各个馈源相心位于该圆周上，从馈源发射的射线经副面反射后，到达主面时的光程相等，从而在不影响电气性能情况下实现了频段的切换，但副反射面需要增加一个自由度。

各种频段切换技术各具特点，需要结合天线具体应用及馈源形式、体积和数量来进行选择。

2.4　结构型式选择与保型设计技术

结构型式选择与天线保型设计[24]有着密切的关系。合理的选型能大幅提高天线的性能，例如在同等重量下，一个40 m级口径的天线，采用保型设计的天线结构，其性能可提高约20%。

大口径反射面天线的结构型式主要有中心支撑、边缘支撑、偏置结构支撑和等柔性支撑等几种型式。等柔性支撑型式的设计宗旨是天线采用分层的光滑支撑，消除各硬点连接，避免结构刚度的不连续性。大口径反射面天线采用何种结构型式主要跟馈电方式和馈源仓容量等因素有关，但等柔性支撑设计理念应贯穿于整个结构设计之中。

大口径反射面天线的保型设计技术最初只应用在前馈抛物面天线上。其设计思想是用一个新的抛物面来代替原来的设计抛物面，该新抛物面是通过与变形反射面之间的均方根法向误差最小求得，被称为最佳吻合抛物面[25]。随着反射天线技术的发展，保型设计技术已被赋予了新的含义，主要包括两个方面内容：一是赋形双反射面天线最佳吻合反射面的计算方法[26]，该方法就是通过平移和旋转一个新的反射面，去吻合变形的主反射面，通过等光程条件，使其和变形面的均方根法向误差最小，即可求得最佳吻合反射面，此时馈源和副反射面同时要平移和旋转到其相应位置。二是广义的结构保型设计，其主要涉及主动反射面技术(见2.6节)、面板与背架及背架与俯仰机构之间等柔性连接设计、强力通风或温控技术等方面。

2.5　高精度面板设计与制造技术

反射面天线的面形精度是影响天线性能的重要因素。为保证天线在高频段的性能，反射面的面形精度要求为天线工作波长的130，对应的面板单元精度要求优于更高。面板制造的困难主要有两点：

首先，天线单块面板的平均面积大。为减少面板数量，降低安装工作量和面板缝隙对天线性能的影响，单块面板的面积希望尽量大一些，而面积的增大将增大面板制造的难度；

其次，为提高面形精度，大口径反射面天线常常采用主动反射面技术，因此面板的每个角都必须能够承受促动器千万次的牵引，这对面板的可靠性提出了更高的要求。而能否制造出大尺度(面积尽可能大)、高精度、高可靠度的面板，是天线研制的技术瓶颈之一。

射电望远镜天线主要有5种高精度面板形式[27]，其主要制造方法有：① ALMA(欧洲)12 m亚毫米波望远镜阵列和LMT 50 m毫米波望远镜镍蒙皮铝蜂窝夹层面板，面板精度8 μm，但工艺复杂、生产效率低、成本高；② KOSMA 3 m亚毫米波望远镜和ALMA(日本)以实体铝合金为毛坯的精密数控加工的面板，面板精度5～8 μm，但需要精密数控铣床，面板较重，不适合大型射电望远镜天线；③ IRAM 15 m和NRO 45 m毫米波望远镜碳纤维铝蜂窝夹层面板，面板精度25～50 μm，重量轻，但成本高；④ 基于“点阵钉模、真空负压、蜂窝夹层”原理的双层铝蜂窝夹层结构面板成形技术，面板精度25 μm、刚度大、成本低，但不能用于主动反射面；⑤ 基于“包络模具、蒙皮开缝、应力释放、真空负压”原理的面板精密成形技术和制造方法，面板精度50～100 μm，适合用作大型射电望远镜天线主动反射面面板。

2.6　主动反射面技术

经验表明，重力变形和不均匀热变形是影响天线反射面精度的主要因素，保形设计虽然能够减小这方面的影响，但毕竟有其局限性。天线主面变形很难满足高频段工作对主面精度的要求，从而使天线的效率大大降低，天线性能变差。

1990年开始，GBT[28]、LMT等天线开始采用主动反射面技术以改善主反射面的变形，扩展天线的高频工作能力。后来的NOTO、SRT、上海天马65 m射电望远镜天线等均采用了主动反射面技术。

主动反射面技术就是根据反射面误差模型，通过促动器运动弥补各反射面单元的变形，从而使整个反射面达到期望的精度要求。

该技术不仅对反射面单元的精度、强度和可靠度提出了更高的要求，而且，促动器的定位精度、可靠性和电磁兼容性也是需要解决的难题。

反射面形变误差修正模型主要分为3类，一类是开环模型，模型参数来自于FEA分析结果或摄影测量数据，这些数据的建立多被应用于主动面修正的初始阶段。第2类是半闭环模型，模型参数来自于射电全息测量结果，但经典的射电全息或偏焦全息方法并不能与观测同步进行，无法得到实时的测量结果，而且由于测量占用观测时间不能频繁进行，因此，该模型只能反映测量前后一段时间内的面形平均变化。第3类为实时闭环修正模型，修正数据来自于独立面形精度测量系统的实时数据，误差模型能反映天线在任意时刻的面形形变情况，能够给出更为准确的修正数据。

目前，普遍应用的是一、二类修正模型，GBT虽然建立了独立的实时激光测量系统[29]，但由于设备复杂、对环境要求较高等原因，尚未得到满意的效果。未来，实时测量修正系统仍是主动面技术的难点和发展方向。

副反射面也存在变形问题，但由于其口径较小，因而面形精度一般保持不变，其变形主要来自于其支撑结构变形导致的其空间位置和姿态的变化，这就需要副面调整机构来修正其位姿的变化。传统的串联型调整机构结构庞大复杂，较难得到高精度修正效果。目前，6杆并联机构(HEXAPOD)已被采用，该机构由6根相同的推力杆组成，结构简洁，具有6个自由度的空间运动范围，可以通过对6根杆长的精确控制，使影响副面位姿的5个自由度同时得到精确修正。

2.7　伺服控制技术

随着大口径反射面天线工作频率向更高的频段扩展，对天线指向精度的要求也越来越高。以65 m 天线为例，在Q频段(46 GHz)其半功率波束宽度为25 arcsec，要求天线的指向精度高达3 arcsec(理想环境条件)。而实现天线高指向的关键因素之一是伺服控制精度，要求为优于2 arcsec。如此高的控制精度要求对大口径天线伺服控制系统的设计和实现是一个巨大的挑战。因此，数字化、高精度伺服控制技术就是大口径天线的关键技术之一。

数字化、高精度伺服控制技术包括多电机驱动齿隙技术、高精度精度码盘安装技术以及全数字化符合控制器技术等。

天线驱动采用多电机驱动、施加力矩偏置的方式以消除传动链的齿隙，消隙逻辑由多电机控制器完成[30]。

轴角编码器一般采用光电码盘，码盘分辨率可以做到30位以上(二进制编码)，但码盘精度由于受到安装和标定的制约，最高在1 arcsec左右。

为提高伺服控制系统的动态性能，展宽伺服带宽、提高天线伺服控制系统的抗干扰性能，各种型式的伺服控制器被应用于工程实践。目前射电望远镜主流伺服控制器设计仍以经典控制理论为基础，其中传统的PI控制器是最常见的控制策略。

为了提高系统响应速度，减小结构谐振对伺服控制性能的影响，前馈控制器和凹口滤波器作为常用的改进方案被用于各种设计之中。

为消除控制对象非线性环节的影响，在控制环路中引入命令预处理环节，根据系统的速度和加速度限制(非线性环节)规划天线的运动轨迹，减小天线超调和振荡，使天线运行更加平稳。

随着控制精度要求的提高，阵风扰动等随机误差已成为影响高控制精度的主要因素，基于经典控制理论的传统的控制方法受天线结构柔性和谐振影响，性能已很难再进一步提高。需要用基于现代控制理论的状态反馈方法来设计LQG控制器，构造高频谐振估计器，有效抑制了天线的高频谐振。该控制器输出主要由PI控制器对位置的控制输出和谐振状态估计器对谐振抑制的控制输出两部分组成。该控制器被应用于美国深空网70 m以及34 m的大口径天线[31]，伺服控制系统获得的带宽达2 Hz；在10 m/s风力下，天线的伺服误差仅为0.1 arcsec，获得满意的指向精度和抗扰动能力。

3未来技术发展

随着科技的发展，人类的科学探索不断向宇宙更深处发展，无论是射电天文还是深空探测，都需要更加灵敏、分辨率更高的天线。而增大口径可以同时提高天线的接收面积和分辨率。目前世界上已经建有2台100 m的全可动射电望远镜，我国正在为兴建更大口径的射电望远镜而积极准备。

更高的工作频段也是大口径反射面天线的一个发展方向。对深空探测而言，工作频段的扩展意味着探测距离的增加，对射电天文而言将催生新的发现。因此，高面板精度和高指向精度反射面天线技术将是未来需要突破的难点。

超宽带和多频段技术应用不仅是大口径反射面天线的发展方向之一，也是天线技术、射电天文技术的发展方向之一。因此，超宽带和多频段制冷馈源与接收机技术也是未来研究的重点。

扩大射电望远镜观测视场，提高巡天速度也是射电望远镜天线重要需求之一，相控阵馈源技术也是射电天文技术未来的发展方向之一，其应用将赋予大口径反射面天线更强的观测能力。

单个大口径天线的灵敏度和分辨率终究是有限的，因此，需要通过天线组阵及综合孔径技术来进一步提高望远镜的灵敏度和分辨率。由于组阵天线的灵敏度决定于天线的数量，分辨率决定于其基线的长度，因此数量更多、基线更长的天线阵列将承担更多的科学探索任务。不仅可以中等口径天线组阵(如平方公里阵SKA[32])，也可以大口径天线组阵[33]。在追求更高的分辨率的道路上，空间VLBI组阵技术[34]将提供更高的分辨率。

4结束语

介绍了国内外大口径反射面天线的发展现状，详细描述了国内外代表性大口径反射面天线的主要性能及特点，然后重点论述大口径反射面天线的关键技术及实现方法，最后介绍其技术发展方向。

大口径反射面天线不仅可用于射电天文和深空探测研究，而且也可用于空间碎片探测、电离层观测、卫星导航频谱检测和卫星与微波侦察与对抗等领域。

大口径全可动反射面天线的设计、建造、运行和维护涉及电磁场与微波技术、低温制冷、自动控制、结构与工艺、材料等多个专业学科，需要机电一体化和优化设计、精密加工和准确安装，以及长时间的调试和测试，许多关键技术还有待突破或完善。大口径天线建造不仅是进行天文研究与深空科学探索的神兵利器，更是一个国家综合国力的完美体现。

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Overview of Large Reflector Antenna Technology

DU Biao1,2,WU Yang1,2,ZHANG Yi-fan1,2,LIU Guo-xi1,2

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;

2.Joint Laboratory of Radio Astronomy Technology,Shijiazhuang Hebei 050000,China)

Abstract：The large reflector antenna is one of essential equipments for radio astronomy and deep space exploration.This paper briefly introduces the development of large reflector antenna,presents the main specifications and technical characteristics of several typical large antennas around the world.The key techniques and solutions in design,manufacture and operation are discussed,including optics design,feed assembly,frequency band switching,structure type and homology design,high accuracy panel design and fabrication,active surface,and servo system.Finally,the technology trend of large reflector antenna is described.

Key words：radio telescope;reflector antenna;feed system;homology design

作者简介：杜彪(1962—)，男，博士/研究员，中国电子科技集团公司第五十四研究所首席专家、副总工程师，中国电子学会高级会员，遥感遥测遥控分会常务委员、微波分会委员、射电天文分会委员,一直从事反射面天线、高效率馈源和阵列天线等新技术研究和产品研发工作，先后担任澳大利亚SKA先导天线阵(ASKAP)、上海65 m天马射电望远镜天线系统、SKA项目关键技术研究等重大项目的总设计师和负责人，获部级科技进步奖、军队科技进步奖、国防科学技术奖、中国电子科技集团公司科技进步奖共5次；获授权国家发明专利和实用新型专利20余项，在国内外刊物和学术会议上发表论文60余篇。伍洋(1984—),男，博士/工程师，主要研究方向：射电望远镜天线与馈源技术。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB837902)；国家自然科学基金项目(11261140641)

收稿日期：2015-11-01

中图分类号：TN915

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-01-8

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.01

引用格式：杜彪，伍洋，张一凡,等.大口径反射面天线技术综述[J].无线电通信技术,2016,42(1):01-08.