劉 超，牛傳峰，耿京朝，楊國棟，趙東賀

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.射電天文技術聯合實驗室，河北石家莊050081)

0 引言

射電天文學是利用射電望遠鏡系統［1］在無線電波段研究來自深空的射電波。新一代厘米－分米波射電日像儀項目的一個主要目標是研究太陽高能粒子源區(qū)的特性與輸出;確定太陽高能粒子源區(qū)的不穩(wěn)定磁場位形、位置和其他等離子體參數的重構;分析導致太陽劇烈爆發(fā)活動的非穩(wěn)定磁場結構特征，結合其他各波段觀測數據確定磁場結構及等離子體參數特點，探測高能粒子輸出的磁場位形，從而研究日冕磁場的動力學結構與演化。

建設新一代厘米－分米波射電日像儀將首次在該波段上實現同時以高空間、長時間和高頻率分辨率觀測太陽活動，探測日冕大氣，對于太陽物理研究具有重要作用［2］。同時，隨著我國射電天文事業(yè)的發(fā)展，寬帶、超寬帶雙極化饋源的需求越來越廣泛，在SKA項目中有較廣闊的應用前景。

1 天線介紹

射電頻譜日像儀CSRH－II期工程在2～15 GHz頻率范圍內高分辨率觀察太陽活動，其科學研究目標包括瞬時高能現象、日冕電磁場以及太陽大氣結構。

由60面口徑為2 m高頻天線組成的天線陣(2～15 GHz)是射電日像儀高頻陣II期工程的重要組成部分，天線的主要特點是:采用新型饋源能同時高效寬帶［3］接收左/右旋圓極化信號［4］;采用赤道式天線座架及高精度步進電機，具有形式簡單、可靠性高、跟蹤精度高以及跟蹤范圍大等優(yōu)勢;由天線控制單元控制天線主瓣波束指向并跟蹤太陽;60套天線可由天線控制計算機同步控制，也可以由天線控制計算機單獨控制每部天線;天線系統具有自校準功能和完善的故障診斷功能。反射面天線的主要性能指標如表1所示。

表1 2m天線指標

2 天線設計

2．1 系統組成

2 m天線由饋源、天線反射面、天線座架和天線伺服控制裝置組成。饋源支撐采用對稱結構，面板采用板面形式。

天線反射面由整體實板反射面和反射面背架組裝而成，圖1是2 m天線的組成框圖。

圖1 2m天線組成框圖

天線座架由赤經支撐座架、赤經軸承座組合、赤經大齒輪、赤緯托架、赤緯軸承座組合、赤緯大齒輪、赤經驅動裝置、赤緯驅動裝置、驅動及齒輪密封箱體和配重等組成;伺服控制由天線監(jiān)控計算機、天線控制器、天線驅動單元、控保電路、電源和對外接口等組成。

2．2 天線座架組成

2 m天線座架采用赤道式座架，赤經軸平行于地球自轉軸［5］，根據太陽的赤緯角調整赤緯軸(電動實時跟蹤調整赤緯角)，使天線對準太陽，然后轉動赤經軸，抵消地球的轉動，就能使天線始終對準太陽。天線座架外形圖如圖2所示。

圖2 2 m天線座架外形圖

2．3 天線反射面

2 m天線反射面采用板式前饋拋物面形式。參數如下:

反射面直徑:D=2 m;

反射面焦徑比:F/D=0．4;

饋源對反射面半照射角:ψm=64°。

2 m天線反射面由由實板反射面、反射體骨架及饋源支撐組成反射面和饋源支撐組成，反射面用1．5 mm的LY12－M鋁板整體旋壓成形，周邊打彎增強其剛度，其特點是:成型簡單、工藝性好，與骨架裝配后具有較高的剛度，一致性好。圖3是2 m天線反射面的結構示意圖。

圖3 2m天線面結構示意圖

2．4 寬頻帶饋源

寬頻帶饋源采用對數周期天線為單元，對數周期天線采用大張角設計［6］，縮短單個饋源的縱向尺寸，最大限度地減小饋源對反射面天線口徑的遮擋。寬頻帶饋源［7］設計保留標準對數周期天線的非頻變特性，即當頻率f連續(xù)變化時，天線的電特性隨著頻率的對數作周期性變化。

為了獲得對稱的方向圖，以實現對反射面的均勻照射，對于每一個工作頻率f，相同極化天線單元的有效工作區(qū)間距為0．5λ，以實現對稱的E、H波瓣寬度。同時，對于每一個工作頻率f，天線單元的有效工作區(qū)與天線地板的間距為0．16λ，確保天線的相位中心位于天線地板的中心［8］。當頻率f連續(xù)變化時，相同極化天線單元的有效工作區(qū)的間距、有效工作區(qū)與天線地板的間距的電長度保持不變，因此寬頻帶饋源［9］可以在很寬的頻率范圍內實現對稱的E、H波瓣寬度，穩(wěn)定的相位中心［10］以及優(yōu)良的交叉極化特性等，這是反射面天線饋源的主要技術指標要求。加工的寬帶饋源照片如圖4所示。

圖4 2－15GHz寬帶饋源照片

3 測試結果

對射電頻譜日像儀2 m天線的方向圖進行了測試，圖5、圖6 和圖7 為2 m天線在f=2 GHz、f=8 GHz、f=15 GHz的實測方向圖［11］。從測試結果中可以看出，第一副瓣電平優(yōu)于－14 dB，滿足指標要求。在研制過程中創(chuàng)新性地解決了低損耗饋電技術、寬頻帶高性能圓極化電橋技術、饋源的寬帶匹配技術等，通過一系列措施使天線效率有了較大幅度提高。2 m反射面天線實測效率值如表2所示，可以看出全頻帶內效率值大于40%。同國外同類型天線相比，在高頻端效率有優(yōu)勢。

圖5 f=2 GHz天線實測方向圖

圖6 f=8 GHz天線實測方向圖

圖7 f=15 GHz天線實測方向圖

表2 2m天線效率隨頻率變化表

4 結束語

介紹了一種采用赤道式座架的2 m極軸天線，設計了寬頻帶雙圓極化饋源，解決了若干關鍵技術問題，如寬頻帶圓極化電橋設計技術，高效率饋源技術，低損耗饋電網絡以及極軸座架形式等。測試結果表明指標滿足應用需求。

［1］ 顏毅華，張堅，陳志軍，等．關于太陽厘米—分米波段頻譜日像儀(CSRH)研究進展［J］．天文研究與技術，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］ 王彩華，陳曉光．一種改進的寬帶微帶天線設計［J］．無線電工程，2011，41(11):43 －45．

［4］ 劉亮，郭?。环N寬帶3 dB耦合器的設計與分析［J］．無線電工程，2013，43(6):34 －36．

［5］ 張亞林．太陽射電觀測系統的極軸天線座架設計［J］．無線電通信技術，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］張志華，陳輝，秦順友，等．饋源喇叭相位中心測量及誤差分析［J］．無線電通信技術，2011，37(5):28 －30．

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