王 凱，陳卯蒸，馬 軍，寧云煒，曹 亮，閆 浩，李 健，段雪峰，項斌斌

(1.中國科學(xué)院 新疆天文臺，烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院 射電天文重點實驗室，南京 210033；3.新疆微波技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830011)

1 引言

射電望遠鏡可以利用其高靈敏度及分辨率對微弱的射電源進行觀測，但由于望遠鏡的波束寬度有限，在相應(yīng)天區(qū)形成的波束立體角非常小，對于需要開展大范圍的巡天觀測仍需要花費較多時間。改善上述情況最佳的方式就是增加望遠鏡的視場[1]。對于傳統(tǒng)單波束接收機來說(如圖1 所示)，射電望遠鏡的視場Fov表示為：

圖1 射電望遠鏡的視場

其中，θAz為水平方向上半功率波束寬度，θEl為垂直方向上半功率波束寬度，Ω為射電望遠鏡的波束立體角。

假設(shè)一次巡天觀測需完成對立體角為Ωtol的掃描觀測，完成該區(qū)域的掃描所需要花費總的時間ttol可表示為[2]：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為一次觀測的積分時間，B為觀測帶寬，Ae為射電望遠鏡的有效面積，Tsys為系統(tǒng)的噪聲溫度。

對于傳統(tǒng)單波束接收機來說，整個望遠鏡系統(tǒng)的巡天速度Ss表示為[3]：

一個簡便的增加射電望遠鏡視場的方法，是在現(xiàn)有的反射鏡望遠鏡的焦平面上放置多個饋源，組成焦平面陣列，即多波束技術(shù)[4]。這種方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于射電天文接收機系統(tǒng)中，其工作頻段可達亞毫米波段。那么，對于具有N個相同波束的多波束接收機來說，整個望遠鏡系統(tǒng)的巡天速度可表示為：

從公式(4)可以看出，對于具備多波束接收機的射電望遠鏡來說，其巡天速度與觀測的波束數(shù)量成正比，因此，采取多波束技術(shù)是提高射電望遠鏡巡天速度最有效的方法。

2 多波束接收機

與傳統(tǒng)單波束相比，多波束接收機可以實現(xiàn)焦面場上多個陣列接收機同時工作[5]。根據(jù)系統(tǒng)組成不同，多波束接收機包含焦平面陣列饋源和相控陣列饋源兩種形式。

2.1 焦平面陣列

焦平面陣列饋源的概念最早起源于光學(xué)和紅外波段上使用的功率探測器以及輻射計應(yīng)用，包括衛(wèi)星地面站所使用的雙饋源或者4 饋源系統(tǒng)。1975 年，Condon 首次在美國Arecibo球面望遠鏡上探索使用多波束接收機。1983 年，荷蘭的Arnold van Ardenne 開始了多波束毫米波接收機的研究工作。1987 年，美國國家射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)開始研制5.85 GHz 的7 波束接收機，并安裝于Green Bank 300 ft 天線上開展測試，之后將其運至澳大利亞Parkes 64 m 天線上進行巡天測試。1987 年，Arnold van Ardenne 開始為麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)研制350 GHz陣列接收機。1988 年，NRAO 研制的基于肖特基混頻器的8 波束230 GHz 接收機問世。上述發(fā)展歷程只能作為多波束接收機的樣機研制階段，1997 年初，澳大利亞Parkes 64 m 射電望遠鏡成功安裝了13 波束接收機(21 cm 波段)[6]，這才是世界范圍內(nèi)真正意義上的第一臺實用型多波束接收機，主要用于開展HI 及脈沖星巡天觀測，13 波束接收機如圖2 所示。2005 年，一個同樣版本的13 波束L 波段接收機被安裝于Arecibo 望遠鏡上。隨后，德國Effelsberg 及美國綠岸射電望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT)都相繼裝備了多波束接收機。

圖2 澳大利亞Parkes 13 波束接收機

國內(nèi)方面，中國科學(xué)院紫金山天文臺在德林哈13.7 m 射電望遠鏡上裝備的9 波束接收機是國內(nèi)第一臺自研的多波束接收機系統(tǒng)[7]，其工作頻率為85～115 GHz，主要用于分子譜線觀測，見圖3 a)。中國科學(xué)院國家天文臺(簡稱國家臺)的500 m 口徑球面射電望遠鏡(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，目前已成功安裝澳大利亞研制的19 波束L 波段接收機[8]，該接收機具備19 波束雙極化輸出，工作頻率為1 050～1 450 MHz，采用喇叭饋源設(shè)計，饋源后級連接正交模耦合器及HEMT 低噪聲放大器(工作在20 K 低溫環(huán)境)，如圖3 b)所示。中國科學(xué)院上海天文臺(簡稱上海臺)天馬65 m 望遠鏡已裝配3 臺雙波束接收機，分別為K,Ka,Q 波段接收機，目前正在研制7 波束K 波段接收機。

圖3 德令哈13.7 m 天線9 波束與FAST 19 波束接收機

對于多波束接收機來說，每個波束單元均是一個性能良好的饋源，各單元相互獨立，使用該技術(shù)可以大幅提高巡天觀測效率。但由于良好的波束照明需要足夠直徑的饋源，而相鄰饋源間由于其物理尺寸限制，每個饋源經(jīng)望遠鏡形成的波束在天區(qū)上被分開，從而使得視場不夠連續(xù)，不能形成連續(xù)的天區(qū)覆蓋[9]。

2.2 相控陣饋源

相控陣饋源(phased array feed,PAF)是近些年一項熱門的接收機技術(shù)，它是利用反射面望遠鏡結(jié)合波束合成技術(shù)在天空形成多個連續(xù)波束的新的焦平面陣列。PAF 一般在射電望遠鏡的焦平面上以矩形、六邊形等方式排布電小天線單元陣列，通過波束合成對各個陣元施加不同的激勵，調(diào)控各個陣元的幅度與相位，實際就是焦平面上一個小型的相控陣天線。天線的相位中心緊密相鄰，波束相互重疊，從而能夠?qū)蛊矫鎱^(qū)域進行完全采樣，提供連續(xù)視場以提高巡天效率，解決了傳統(tǒng)多波束接收機因饋源相互分立而不能實現(xiàn)真正意義上的連續(xù)大視場的問題[10]。

對于射電望遠鏡PAF 接收機系統(tǒng)來說，波束合成作為一項關(guān)鍵技術(shù)將會直接影響整個PAF 系統(tǒng)的靈敏度、系統(tǒng)噪聲及觀測效率。對于一個PAF 接收機來說，假設(shè)接收的信號為一個平面波，每個陣元天線的信號輸出z(t)可以定義為：

其中，s(t)表示為在中心頻率為Ω0的一個帶通信號，a(θ)為方向向量，其取決于Ω0和方向仰角θ，sb(t)為基帶包絡(luò)。

對于具有M個陣元的多路信號而言，z(t)可以表示為：

波束合成就是通過賦權(quán)調(diào)整合成波束中各個陣元的輸出以調(diào)控s(t)[11]，表示為：

其中，波束合成權(quán)向量為w=[w1,...,wM]T，陣列中第i個陣元在整個合成波束中被賦權(quán)的權(quán)值wi表示為：

其中，τ為時間延遲。

從PAF 發(fā)展歷程來說，早在1982 年NRAO 技術(shù)討論會上，Weinreb 就首次提出使用PAF 進行天線面型修正。1988 年，Cornwell 和Napier 出版了焦平面相干理論，以糾正像差、畸變等，并提出PAF 可以放置在焦平面上以用作小型相控陣。1993 年，澳大利亞Parkes 64 m 天線考慮過PAF 設(shè)計方案，但又被Trevor Bird 和GeoffPoulton 提出的多饋源機載衛(wèi)星所用的多波束方案所代替。1995 年，在NRAO 召開的射電望遠鏡多饋源系統(tǒng)會議上，Rick Fisher 提出PAF 陣元設(shè)計。2004 年，為開展平方公里陣(square kilometre array,SKA)巡天，SKA 歐洲委員會提議使用PAF 進行觀測。2006 年，澳大利亞提議為ASKAP使用PAF 接收機[12]。圖4 為SKA 部分參與機構(gòu)攜其PAF 樣機齊聚澳大利亞。

圖4 SKA 部分參與機構(gòu)設(shè)計的PAF 樣機

3 相控陣饋源接收機發(fā)展現(xiàn)狀

雖然相控陣饋源技術(shù)已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、通信等領(lǐng)域，但由于射電天文的應(yīng)用背景和需求與上述領(lǐng)域存在明顯差異，將其應(yīng)用于射電天文觀測還需要開展大量實踐工作。為此，國際射電天文界一直都在進行相控陣饋源技術(shù)相關(guān)的理論和實踐研究。國外開展PAF 相關(guān)工作的國家主要有美國、荷蘭、加拿大和澳大利亞。在國內(nèi)，上海臺為天馬65 m 望遠鏡已開展PAF 相關(guān)的研究工作，國家臺FAST 技術(shù)團隊及國內(nèi)相關(guān)科研院所已開展L 波段相控陣饋源的研發(fā)，國內(nèi)SKA 團隊也在積極參與SKA 相控陣饋源工作包，主要用于開展SKA 射頻前端的預(yù)先研究。

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 美國

20 世紀90 年代末，美國即開始PAF 的研發(fā)工作。1996 年，美國NRAO 的一個研究團隊設(shè)計了一款概念驗證式全采樣PAF 接收機，該接收機由19 個正弦天線單元組成，以0.7倍波長的陣元間距六邊形排布，工作頻率在1.4 GHz[13]。2000 年，該PAF 的第一版常溫樣機研制完成，并在綠岸(Green Bank,GB)的43 m 天線上進行波束合成和望遠鏡校準方法測試，如圖5 所示。

圖5 NRAO 安裝于43 m 天線上的第一版PAF 樣機

NRAO 的研究重點是針對大型單面板射電望遠鏡(GBT)開展制冷PAF 研制。與非制冷PAF 相比，制冷PAF 具備更高的靈敏度和更低的系統(tǒng)噪聲溫度。在上述第一版19 陣子常溫PAF 樣機的基礎(chǔ)上，NRAO 和楊百翰大學(xué)(Brigham Young University,BYU)開展合作，一直在不斷進行19 陣子制冷PAF 設(shè)計工作。如圖6 所示，從左至右分別為2007 年薄偶極子(dipoles)PAF 樣機[14]、2010 年阻抗優(yōu)化的厚偶極子PAF 樣機[15]、2015 年使用SiGe低噪聲放大器的雙極化偶極子GBT 1 版PAF 樣機[16]，以及2016 年由BYU 最終優(yōu)化后的、采用制冷低噪放的雙極化偶極子GBT 2 版PAF 實用型接收機[17]。

圖6 NRAO 四版19 陣元PAF

2016 年最終采用的雙極化偶極子的PAF 接收機也被稱為GBT 焦平面陣列(focal Lband array for GBT,FLAG)，主要包括PAF 前端、光傳系統(tǒng)以及數(shù)字終端。其中PAF 前端系統(tǒng)主要包括前端-模擬子系統(tǒng)、PAF 陣列和LNA 等；光傳系統(tǒng)主要由數(shù)字化儀，光纖鏈路，多相濾波器組(頻率、通道)組成；數(shù)字終端主要用于實現(xiàn)相關(guān)、波束合成、數(shù)據(jù)格式規(guī)范，以及磁盤存儲功能。

從FLAG 陣元設(shè)計上來說，雖然上述4 版PAF 樣機的陣子均采用偶極子天線設(shè)計，但前后就有7 個設(shè)計版本，足以見證PAF 從概念設(shè)計到投入實踐應(yīng)用所經(jīng)歷的漫長過程。如圖7 所示，F(xiàn)LAG 陣子從最早的單極化到雙極化，從細瓣到粗瓣(有助于表面電流傳導(dǎo))，從單獨陣子到陣子與LNA 結(jié)合設(shè)計(以此縮減傳輸鏈路以減小損耗)，最終還需考慮LNA 制冷及相應(yīng)的隔熱設(shè)計。

圖7 FLAG 多版陣子優(yōu)化設(shè)計

楊百翰大學(xué)在實驗室自行搭建的小型暗室(見圖8)，用以開展獨立陣子的天線性能測試?？梢钥吹紾BT 2 版陣子在內(nèi)側(cè)頂端，其余位置為吸波材料。以此，可以在實驗室內(nèi)開展陣子的S 參數(shù)測量。

圖8 GBT 2 版陣子S 參數(shù)測量環(huán)境

FLAG 采用的雙極化偶極子結(jié)合低噪聲放大器設(shè)計(見圖9)，最終輸出兩路放大后的信號。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點在于，縮減了陣子與低噪放之間的鏈路損耗，而且方便進行制冷設(shè)計，最終測試結(jié)果顯示低噪放增益在帶內(nèi)可以達到35 dB 以上，噪聲溫度低于6 K[18,19]。

圖9 LNA 電路及其與陣子集成設(shè)計

FLAG 的終端開發(fā)主要由NRAO 協(xié)同BYU 與西弗吉尼亞大學(xué)合作開發(fā)，該終端設(shè)備開發(fā)是基于混合現(xiàn)場可編程門陣列和圖形處理單元技術(shù)的寬帶實時信號處理后端。圖10 給出相關(guān)器和波束合成器所組成的FLAG 數(shù)字終端。

圖10 FLAG 數(shù)字終端系統(tǒng)

FLAG 采用陣元復(fù)用方式，在19 個陣子中由7 個相鄰陣子合成1 個波束。FLAG 采用最大信噪比波束合成方式，在1 404 MHz 觀測3C295 瞬時形成的7 個合成波束方向圖(見圖11 a))，圖11 b)為整個視場范圍內(nèi)的FLAG 靈敏度觀測結(jié)果，右側(cè)單位為m2·K?1。

圖11 FLAG 波束合成方向圖及靈敏度

3.1.2 荷蘭

SKA 是由全球20 個國家67 個科研機構(gòu)的天文學(xué)家和工程師參與建設(shè)的、世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡項目。SKA 擬建設(shè)低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列和中頻反射面天線陣列三種接收天線陣列，接收面積達到1×106m2量級，頻率覆蓋70 MHz～20 GHz。自1993 年SKA 被提出，SKA 參與國及其研究機構(gòu)在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術(shù)研發(fā)等方面均開展了大量的工作。根據(jù)規(guī)劃，每臺SKA 反射面天線將配備5 個單波束饋源以獲得高的單波束靈敏度，或3 個相控陣饋源以獲得大視場觀測能力，從而使SKA 在靈敏度和巡天效率方面比現(xiàn)有射電望遠鏡大幅提高[20]?？梢哉fSKA 項目是相控陣饋源接收機在射電天文領(lǐng)域應(yīng)用的重要推手[21]。

2002 年，在SKA 射電天文歐洲委員會項目的合作伙伴專注于多波束技術(shù)時，荷蘭作為SKA 成員國之一，其荷蘭射電天文研究所(Netherlands Institute for Radio Astronomy,ASTRON)則已經(jīng)開始研發(fā)更具挑戰(zhàn)性的致密相控陣饋源接收機。ASTRON 為射電天文焦平面陣列(focal-plane arrays for radio astronomy:design,access and yield,FARADAY)項目設(shè)計的第一款PAF 樣機[22]，工作帶寬為2～5 GHz，由112 個Vivaldi 天線單元組成，13個陣元可以通過模擬波束合成器合成一個波束，并在韋斯特堡綜合射電望遠鏡(Westerbork synthesis radio telescope,WSRT)上得到了驗證。但由于FARADAY 設(shè)計中使用了常溫低噪聲放大器(非制冷)，這使得最初的樣機并沒有達到與傳統(tǒng)喇叭饋源相當?shù)慕邮諜C噪聲性能，但是PAF 技術(shù)的應(yīng)用很大程度提升了望遠鏡的效率和視場，這些性能指標的提升在當時很好地激發(fā)技術(shù)人員參與到PAF 的研發(fā)中去。圖12 為2005 年在WSRT 25 m 天線上安裝常溫PAF 樣機進行測試的現(xiàn)場照片。ASTRON 在WSRT 的測試結(jié)果證明，與傳統(tǒng)的單波束饋源喇叭相比，致密型PAF 在寬頻帶上具備提供更高天線效率的潛力。

圖12 安裝于WSRT 的FARADAY 常溫PAF

而上述FARADAY 項目的PAF 樣機僅作為SKA 歐洲委員會射頻網(wǎng)相控陣(radioNet phased arrays for reflector observing systems,PHAROS)工程的預(yù)研部分，之后ASTRON聯(lián)合PHAROS 工程合作伙伴(英國、意大利、波蘭和澳大利亞)進一步推進制冷PAF 的研制工作[23,24]。2006 年，ASTRON 為PHAROS 工程研制了第一版低溫制冷PAF 樣機，該樣機由144 個Vivaldi 天線作為陣元，其工作帶寬4～8 GHz，經(jīng)波束合成后可瞬時形成四個交疊的波束，低噪聲放大器工作在20 K 的低溫環(huán)境。ASTRON 為PHAROS 工程研制的制冷PAF 樣機，如圖13 所示，a)為PAF 陣列，b)為低溫杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，c)為杜瓦安裝完畢后的制冷PAF。該制冷樣機之后被運至英國曼徹斯特的德雷爾班克天文臺(Jodrell Bank Observatory,JBO)并進行了相關(guān)的測試工作。

圖13 PHAROS 工程的第一版制冷PAF 樣機

2008 年，ASTRON 開始為WSRT 的綜合孔徑項目(aperture tile in focus,APERTIF)開發(fā)實用型PAF 接收機[25]。該PAF 工作頻率為1.13～1.75 GHz，由121 個Vivaldi 天線陣元組成(見圖14 a))，陣列面積約為80×80 cm2，采用的室溫低噪聲放大器連接到每個陣元天線上(見圖14 b))，以放大接收信號并過濾帶外干擾，放大的信號通過同軸射頻電纜傳輸?shù)矫總€天線外，再經(jīng)進一步放大、濾波并轉(zhuǎn)換到中頻信號(400～800 MHz)，后經(jīng)8 bit 及0.8 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化后被分割成512 個子帶，其中384 個子帶被用于波束合成(300 MHz帶寬)，經(jīng)波束合成后的信號被傳送至20 KHz 的頻率通道中進行相關(guān)處理，然后對相關(guān)后的數(shù)據(jù)進行臨時存儲；上述過程為PAF 實時處理部分，而在離線處理中主要開展干擾信號的檢測和移除以及自校準，最后將標定后的數(shù)據(jù)成圖并保存[26]。APERTIF 項目PAF 接收機之后被成功安裝于WSRT 12 個25 m 天線上(見圖14 c))，系統(tǒng)溫度70 K，孔徑效率75%，雙線極化輸出，成功實現(xiàn)了數(shù)字波束合成方法并取得了初步結(jié)果，瞬時波束可以達到37 個雙極化，視場為8 平方度。該項目最終于2014 年底通過驗收，并逐漸進入推廣階段[27]。

圖14 APERTIF 項目研制的實用型PAF 接收機

圖15 a)為WSRT 安裝APERTIF 項目研制的實用型PAF 接收機后單面板天線靈敏度，圖15 b)為MFFE 和APERTIF 系統(tǒng)靈敏度比對，從圖中可見，雖然APERTIF 的單面板靈敏度略低，但是在帶內(nèi)波動明顯好于MFFE，更為平坦，非常適合寬帶校準。

圖15 APERTIF 系統(tǒng)靈敏度及其帶內(nèi)比對結(jié)果

目前，荷蘭ASTRON 正聯(lián)合意大利國家天體物理研究所、英國曼徹斯特大學(xué)、馬耳他大學(xué)和查爾默斯大學(xué)(瑞典)開展PHAROS 2 項目的PAF 樣機研發(fā)工作。PHAROS 2 項目作為PHAROS 的升級版，研制目標是一款工作在4～8 GHz、具備數(shù)字波束形成的低溫制冷PAF，該設(shè)備將會作為SKA 優(yōu)先儀器PAF 研發(fā)項目進行開發(fā)[28,29]。PHAROS 2 擬安裝在英國76 m 射電望遠鏡主焦位置開展技術(shù)和科學(xué)驗證。

3.1.3 加拿大

作為SKA 成員國之一，加拿大的射電天體物理天文臺(Dominion Radio Astrophysical Observatory,DRAO) 在相控陣饋源方面也進行了大量的研究工作，其主要包括相控陣樣機(phased array demonstrator,PHAD)[30]和焦平面陣列樣機(advanced focal array demonstrator,AFAD)項目[31]。

2009 年，DRAO 開展首臺具有離線數(shù)字波束合成能力PAF 樣機(PHAD) 的工程實踐，主要用于有關(guān)校準和波束合成、效率和系統(tǒng)噪聲優(yōu)化等方面，并未直接應(yīng)用于天文研究，因此在系統(tǒng)溫度、波束合成及處理帶寬等方面可有一定妥協(xié)。該PHAD 工作頻率為1～2 GHz，由180 個Vivaldi 天線組成雙極化陣列，陣元間距為波長的一半，每一個天線單元之后對應(yīng)連接一個LNA，陣列尺寸為0.76×0.76 m2。圖16 a)為PHAD 陣列及其數(shù)字信號處理器和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，b)為PHAD 使用的、在低損耗微波印刷電路板材料上制造的Vivaldi 天線[32]。PHAD 選擇Vivaldi 作為陣元，是因為其具有寬帶特性且具備較好的輻射效率，而且較為適合致密陣排布[33]。作為PAF 樣機，PHAD 暫時采取離線方式進行波束合成。

圖16 PHAD 系統(tǒng)樣機及其Vivaldi 陣元天線

之后，DRAO 將PHAD 樣機安裝在10 m 反射面天線MkII 上并進行了測試。該天線同樣是DRAO 于2008 年為SKA 研制的，并由碳纖維增強復(fù)合材料制成，采取整體成型技術(shù)。其也是繼2007 年DRAO 建造第一版天線MkI 后的改良版，重量僅為1 000 kg，主要目的是用于開展PHAD 的相關(guān)測試[34]。圖17 為10 m MkII 天線及其上安裝的PAF 樣機。

圖17 MkII 天線及其上安裝的PHAD

2011 年，在PHAD 樣機的基礎(chǔ)上，DRAO 開始研制下一版AFAD，它是一種符合射電天文觀測靈敏度和帶寬指標的PAF 樣機。AFAD 工作頻率為0.7～1.5 GHz，陣元間距為10 cm(波長/2 @1.5 GHz)，雙線極化輸出，處理帶寬為0.5 GHz，陣列尺寸小于1×1 m2，初步設(shè)計由128 個Vivaldi 陣元組成。頻率選擇范圍主要考慮覆蓋HI 線在1.42 GHz 的高頻端并向下延伸以觀察氫線紅移。此外，也希望可以使用AFAD 開展偏振觀測。由于受普通10 G 光纖鏈路數(shù)據(jù)速率限制，AFAD 只有部分陣元信號數(shù)字化后被傳輸?shù)讲ㄊ铣删W(wǎng)絡(luò)[35]。在天線陣子與低噪聲放大器集成設(shè)計中，前一版的PHAD 由于低噪聲放大器位于距Vivaldi陣元饋電點幾厘米的地方，加之PHAD 工作于室溫下，較長傳輸線損耗導(dǎo)致系統(tǒng)溫度顯著升高。AFAD 的設(shè)計將低噪聲放大器盡可能靠近Vivaldi 陣元饋電點，從而降低傳輸線損耗，并且通過增加Vivaldi 陣元的厚度(用5 mm 厚的固體金屬制造元件而不是印刷電路板或厚度小于1 mm 的金屬板)，從而增加電流流過的表面積，且以此減少開槽線損耗。另外，這種增加Vivaldi 陣元的厚度，可以允許LNA 嵌入其中，并提供良好的電磁屏蔽，如圖18 a)所示，這也是DRAO 第一次嘗試在一個已知Vivaldi 陣元內(nèi)集成LNA[36]。圖18 b)是41 個陣子的PHAD 樣機，起初低噪聲放大器用的均是Avago LNA ICs，之后將陣列中間9 個陣子連接的低噪放更換成CMOS LNA(來自Calgary 大學(xué))而實現(xiàn)了更好的結(jié)果[37–39]。

圖18 Vivaldi 陣元內(nèi)嵌LNA 設(shè)計及41 陣元樣機

之后，DRAO 繼續(xù)優(yōu)化AFAD 樣機陣列尺寸，以獲取更高的接收機靈敏度，包括將之前的模擬波束合成方式過度為數(shù)字波束合成網(wǎng)絡(luò)，并希望可以應(yīng)用于實際天文觀測。DRAO第二階段AFAD 樣機計劃實現(xiàn)88 個改進后的Vivaldi 陣子，所有的陣子均內(nèi)嵌CMOS 低噪放并采用數(shù)字波束合成技術(shù)，擬裝備在DVA-1 天線(見圖19 a))、在1.5 GHz 觀測頻率形成3×3 個波束。該AFAD 樣機在實際測試中，由于靜電導(dǎo)致部分陣子在裝配時被毀壞，故此最終安裝的PAF樣機為60 陣元的Vivaldi 天線陣列，其中30 個Vivaldi 天線連接CMOS 低噪放，另外30 個Vivaldi 天線連接GaAs 低噪放(見圖19 b))。

圖19 DVA-1 天線及60 陣元AFAD 樣機

由于常溫PAF 噪聲溫度偏高，很大程度上影響其廣泛應(yīng)用。2017 年，DRAO 又開始進行2.8～5.18 GHz 的全制冷PAF 樣機(cryoPAF4)研制。該PAF 樣機為雙線極化設(shè)計，由140 個Vivaldi 天線陣元及其后級低噪聲放大器組成，陣元天線及低噪聲放大器全部制冷，接收機噪聲溫度預(yù)估為11 K(見圖20 a))。整個陣列位于直徑480 mm 的圓柱形杜瓦瓶中，杜瓦瓶上覆蓋有射頻透明真空窗(見圖20 b))。在每個金屬Vivaldi 天線元件內(nèi)集成了一個寬帶兩段同軸饋線(見圖20 c))，以承受低溫環(huán)境，并提供50 Ω 的阻抗，以連接到陣列天線的后級部分。cryoPAF4 設(shè)計的數(shù)字波束合成網(wǎng)絡(luò)，可執(zhí)行數(shù)字化、頻帶選擇、波束合成和陣列校準等功能。DRAO 擬將cryoPAF4 應(yīng)用于15 m 格里高利雙反射鏡望遠鏡上，可形成18 個連續(xù)交疊的波束，與具有相同系統(tǒng)溫度的傳統(tǒng)單波束接收機相比，視場預(yù)計可增加8 倍。

圖20 DRAO 正在研制的cryoPAF4

3.1.4 澳大利亞

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(Commonwealth Science and Industrial Research Organization,CSIRO)的澳大利亞國家射電望遠鏡中心(Australia Telescope National Facility,ATNF)一直在積極探索擴大射電望遠鏡視場的技術(shù)與方法，這其中包括現(xiàn)有Parkes 64 m 射電望遠鏡中的13 波束L 波段接收機和SKA 提出的大數(shù)量、小口徑(large-number,small-diameter,LNSD)方案中的相控陣饋源。

作為SKA 的發(fā)起國之一，澳大利亞一直致力于SKA 的研發(fā)工作，是LNSD 方案的代表國家。2007 年，澳大利亞ATNF 開始了一項名為澳大利亞SKA 先導(dǎo)項目(Australian SKA pathfinder,ASKAP)，由澳大利亞CSIRO 協(xié)同國際合作者共同開發(fā)，其中包括加拿大、荷蘭和德國。ASKAP 作為SKA 先導(dǎo)單元，計劃安裝36 個12 m 拋物面天線，每臺天線上配備0.7～1.8 GHz 相控陣饋源接收機進行觀測，臺址部署在西澳大利亞內(nèi)陸地區(qū)一個新的無線電保護區(qū)。ASKAP 建成后將成為世界上最快的譜線巡天觀測設(shè)備[40]。

ASKAP 上裝配的相控陣饋源是該項目研制的核心裝置。ASKAP 第一版PAF(MkI)選擇的結(jié)構(gòu)是一個5×4 單元雙極化棋盤式陣列，陣列天線設(shè)計在一個薄的電介質(zhì)片上，由一個棋盤形的方形導(dǎo)電片印刷電路板組成(見圖21 a))。整個PAF 前端由印刷電路板、泡沫和接地板組成(見圖21 b))，以此形成一個堅固且易于制造的設(shè)計結(jié)構(gòu)[41,42]，陣列后級采用室溫差分低噪聲放大器。該項工作補充了荷蘭ASTRON 和加拿大DRAO 的基于Vivaldi 陣元的PAF 研制工作。2012 年，ASKAP 第一版PAF 樣機被安裝于西澳大利亞默奇森射電天文觀測站(Murchison Radio-astronomy Observatory,MRO)現(xiàn)場，如圖21 c)所示，經(jīng)12 m天線安裝并測試后，該Mk I 原型樣機已成功實現(xiàn)大約30 平方度的視場。

圖21 ASKAP 第一版棋盤式PAF 及其安裝的12 m 天線

2012 年，澳方開啟ASKAP 第二階段相控陣饋源樣機(MarkII)的研制[43]。該MarkII饋源陣列由94×2 個貼片偶極子單元組成188 陣元，采用“自互補棋盤式”排列形式，工作頻段為700～1 800 MHz，系統(tǒng)瞬時帶寬300 MHz，采用數(shù)字波束合成技術(shù)[44]，大約可形成30 個波束，在1.4 GHz 生成30 平方度的視場，允許巡天和深空探測[45]。該PAF 樣機于2015 年研制完成(見圖22 a))[46]，并于同年年底安裝于ASKAP 的12 m 天線上并開展測試工作(見圖22 b))。該MkII PAF 樣機使用RFoF 方式，將所有陣列射頻信號經(jīng)光纖傳輸至中央大樓，以此大大降低位于天線基座下方的電子設(shè)備及支撐系統(tǒng)的復(fù)雜性，但該方式也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率每個天線約2 Tb/s[47,48]。

圖22 MkII PAF 樣機及安裝的12 m 天線

在澳大利亞CSIRO 研制MarkII 的同時，德國馬普射電所為ASKAP 第二階段也在開展188 陣子Mk II PAF 樣機的研制工作。2016 年，由德國馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy,MPIfR)研制的PAF 樣機首次安裝于澳大利亞64 m Parks 射電望遠鏡并開展調(diào)試[49]，如圖23 a)所示。該樣機系統(tǒng)設(shè)計工作頻率為0.8～1.74 GHz，預(yù)計波束合成后的噪聲溫度在45 K 到60 K 之間，孔徑效率在70%～80%之間，有效視場在1 310 MHz 時為1.4 deg2。在澳大利亞Parkes 64 m 天線上進行了6 個月的試驗觀測后，該PAF 樣機又被安裝在德國Effelsberg 100 m 天線上開展試觀測，上述工作也是天文學(xué)家在大型單面板射電望遠鏡上使用PAF 開展科學(xué)觀測的首次經(jīng)歷。考慮到在Parkes 和Effelsberg觀測可能會受到來自移動電話和數(shù)字電視信號的干擾，MPIfR 版Mk II PAF 樣機配備了更窄的采樣濾波器，接收頻率縮減至1.2～1.75 GHz。在Parkes 64 m 天線端，MPIfR 版Mk II PAF 樣機在1 310 MHz 采用最大靈敏度波束合成算法在整個視場上采用歸一化的靈敏度，如圖23 b)所示。

圖23 Parkes 上安裝MPIfR 版MkII 及靈敏度測試結(jié)果

上述MkII PAF 樣機在大型單面板望遠鏡上的成功測試，使得CSIRO 開始考慮將實用型PAF 接收機應(yīng)用于大型單面板望遠鏡上，如Parkes 64 m 射電望遠鏡，期望可以實現(xiàn)在2～3 倍頻程帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)高靈敏度，且能夠在幾個波束寬度的視場內(nèi)實現(xiàn)電掃描。在此需求下，CSIRO 于2016 年開始研究一版基于類似火箭型的圓錐旋轉(zhuǎn)體陣元(Vivaldi 天線的優(yōu)化版)組成的PAF 陣列(Mk-III PAF)[50]。該陣列采用5×4 方形結(jié)構(gòu)(見圖24 a))，雙極化輸出，每個極化在E 面上有5 個端口，沿H 面有4 個端口，考慮到低頻的射頻干擾，頻率范圍可優(yōu)化擴展到600～1 800 MHz。當前版本設(shè)計仍為常溫PAF，如果為低溫制冷設(shè)計，該PAF接收機噪聲溫度可達15～20 K。Mk-III PAF樣機于2016年5月安裝于Parkes 64 m 天線上(見圖24 b))，測試人員使用斬波輪法測試接收機的噪聲溫度，采取最大信噪比的波束合成算法測試系統(tǒng)溫度。Mk-III PAF 樣機的波束合成網(wǎng)絡(luò)(見圖24 c))采用無源、寬帶、等振幅、等延遲、單極化設(shè)計，最終輸出為一路合成后的信號[51]。這種模擬波束形成器結(jié)構(gòu)簡單，易于表征，性能穩(wěn)定，非常適合PAF 研制期間開展測試。在Mk-III PAF 樣機研制成功后，分別使用模擬和數(shù)字兩種波束合成器在Parkes 64 m 天線上進行了比對測試，并與仿真結(jié)果進行了對比，用模擬波束形成法測量的系統(tǒng)噪聲溫度與仿真模擬結(jié)果非常一致，令人鼓舞。雖然該模擬波束形成器的簡單性、極易測量結(jié)果和質(zhì)量，使其成為PAF 孔徑陣列測試不可或缺的工具，但在ASKAP 測試發(fā)現(xiàn)模擬波束合成器的實時性相對較慢，在綜合孔徑中應(yīng)用仍有弊端。

圖24 MkIII PAF 樣機、64 m 天線安裝及模擬波束合成器

2019 年，澳大利亞CSIRO 開始為Parkes 64 m 射電望遠鏡設(shè)計600～1 950 MHz 的98陣元/196 通道低溫制冷PAF 樣機，PAF 模型如圖25 所示。該PAF 陣列包括間距為80 mm的火箭形狀的陣元天線，并將Mk-III PAF 樣機版本的火箭型陣子進行優(yōu)化以匹配低噪聲放大器并提高波束合成效率。鑒于Parkes 64 m 射電望遠鏡臺址受觀測波段低頻端外部射頻干擾影響嚴重，因此在制冷PAF 設(shè)計時將添加一個階躍濾波器，以抑制外部RFI并避免接收機飽和，同時以稍微升高系統(tǒng)噪聲溫度為代價來進行天文觀測。由于射頻干擾的影響，該制冷PAF 的典型噪聲貢獻預(yù)計將提升0.5 K(射頻干擾帶)和1.5 K(全頻段)，使用Parkes 64 m 望遠鏡系統(tǒng)噪聲溫度預(yù)計分別為25 K 和30 K。

圖25 CSIRO 正在研制的98 陣元制冷PAF 模型

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，隨著國內(nèi)大科學(xué)裝置及前沿科學(xué)的驅(qū)動，我國在相控陣饋源技術(shù)方面也開展了大量的研究工作。上海臺依托天馬65 m 射電望遠鏡，在卡焦式相控陣饋源技術(shù)方面進行了相關(guān)的研究和實驗。國家臺依托FAST 工程，與中國電子科技集團公司第五十四研究所(簡稱五十四所)、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)等機構(gòu)開展合作，針對L 波段相控陣饋源開展了大量的研究。國家臺和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室依托SKA 工程，針對不同頻段相控陣饋源開展了相關(guān)的研發(fā)工作。中國科學(xué)院新疆天文臺(簡稱新疆臺)依托擬建的奇臺110 m 射電望遠鏡，也已開展0.7～1.8 GHz 的相控陣饋源預(yù)先研究。

3.2.1 天馬65 m 天線PAF 設(shè)計

2013 年，上海臺依托天馬65 m 射電望遠鏡開展了PAF 的關(guān)鍵技術(shù)研究。與絕大多數(shù)主焦設(shè)計的長厘米波段PAF 不同，上海臺開展的是針對更高的工作頻段(6～9 GHz)、卡焦形式PAF 的分析研究[52]。

通過對拋物面天線焦面場的仿真優(yōu)化分析，初步確定PAF 陣列設(shè)計。選取Vivaldi 作為陣列單元，使用三層電路板工藝，中間層為饋電層，上下層增加了互通金屬過孔，Vivaldi 天線單元后端采用帶狀線到同軸線的過渡方式連接同軸轉(zhuǎn)接頭；根據(jù)陣列特性，單元間距選取9 GHz 對應(yīng)波長的一半，以此達到對焦平面進行完全采樣；初步確定PAF 樣機為102×2 單元正交vivaldi 天線陣列。實際PAF 陣列僅加工了8 列(橫、豎各4 列)vivaldi 陣元，如圖26 所示。由于只是部分加工，集成效果與理想陣列圖略有區(qū)別，但已可以實現(xiàn)波束掃描功能[53]。

圖26 上海天文臺PAF 原理樣機

最終，研究人員對該PAF 的Vivaldi 天線陣列中心單元開展了基本的S 參數(shù)測量，而后利用共軛匹配的波束合成方法對該PAF 原理樣機進行了整機的性能測試。該項研究也是國內(nèi)在大口徑射電望遠鏡上開展PAF 技術(shù)的首次探索。

3.2.2 FAST PAF 研制

國家臺主持建造的“500 m 口徑球面射電望遠鏡”，是利用貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件建設(shè)的世界上最大的單口徑射電望遠鏡。目前，國家臺FAST 團隊與五十四所[54]、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)[55–58]等國內(nèi)高校，以及國外CSIRO 和NRAO 等研究機構(gòu)開展合作，正在開展L 波段制冷相控陣饋源的研制工作。

FAST PAF 設(shè)計指標：工作頻率為1.05～1.45 GHz，瞬時帶寬大于等于500 MHz，視場為0.6×0.6 平方度，瞬時波束數(shù)量大于等于100 個，系統(tǒng)溫度為25 K，口徑效率大于等于55%[59,60]。國家臺與五十四所以射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室為依托，初步設(shè)計PAF 陣列采用背腔陣子形式(見圖27 a))，六邊形排布，最終陣元數(shù)量為217 個，陣元間距為0.65 倍波長，雙線極化輸出，合成一個波束需要37 個陣元，瞬時可以形成100 個波束。目前，F(xiàn)AST 19 陣元PAF 樣機設(shè)計如圖27 b)所示。

圖27 背腔陣子及FAST 19 陣元PAF 樣機

目前，研究人員正在開展FAST PAF 的制冷設(shè)計[61]，如圖28 所示。

圖28 FAST 制冷PAF 樣機

3.2.3 中國SKA PAF 研制

在SKA 諸多成員國中，中國在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術(shù)研發(fā)等方面均起到積極的推動作用[62]。目前，由國家臺和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室正在開展SKA 先導(dǎo)天線及相位陣饋源等關(guān)鍵技術(shù)研究[63]。其中，中國驗證天線(dish verification antenna-China,DVA-C) 是我國瞄準SKA 反射面天線單元，結(jié)合國際先進設(shè)計理念與成熟工程經(jīng)驗研制的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一架反射面天線樣機(如圖29 所示)[64]。該天線采用上偏置格利高里天線形式，主副反射面賦形設(shè)計；主副反射面均采用碳纖維材料、單塊面板、整體成型技術(shù)制造工藝；天線轉(zhuǎn)動采用方位轉(zhuǎn)臺、俯仰絲杠的座架設(shè)計；天線控制采用全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

圖29 DAV-C 天線

射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室利用之前為FAST 設(shè)計的背腔陣子PAF 設(shè)計，結(jié)合最新設(shè)計的DAV-C 天線，又設(shè)計出中國SKA 項目中新的接收設(shè)備樣機(SKA DAV-C PAF)。圖30是五十四所為SKA DAV-C 設(shè)計的PAF 樣機。

圖30 SKA DAV-C PAF 及陣元布局

之后，該實驗室繼續(xù)為SKA 項目在Ku 波段擬進行的多波束觀測開展PAF 設(shè)計。2019年，五十四所針對具體的反射面天線，已經(jīng)成功研制一工作在Ku 頻段的相控陣饋源樣機，該樣機采用開口波導(dǎo)作為陣列單元，一共22 個單元。采用數(shù)字波束合成技術(shù)，在俯仰方向上形成了四個瞬時波束。通過仿真還可以得到單個波束的效率最高可達74.7%，增益達到63 dB，天線的噪聲溫度為92 K，滿足項目要求，單個波束的靈敏度為1.077 m2·K?1，相鄰波束性能基本一致[65]。

3.2.4 QTT PAF 預(yù)研

新疆臺聯(lián)合中國科學(xué)院和新疆維吾爾自治區(qū)，擬在新疆奇臺縣建設(shè)“110 米口徑全向可動射電望遠鏡” (QiTai Telescope,QTT)[66]，QTT 模型如圖31 所示。根據(jù)科學(xué)目標和項目實施計劃，初步計劃配備五套高靈敏度制冷接收機，覆蓋0.27～30 GHz 的觀測頻率范圍，其中40 cm 波段(0.27～1.8 GHz)和15 cm 波段(0.7～4 GHz)單波束接收機，以及20 cm 波段(0.7～1.8 GHz)相控陣饋源接收機系統(tǒng)裝備在QTT 主焦點位置，5 cm 波段(4～16 GHz)和2 cm 波段(16～30 GHz)單波束接收機裝備在QTT 格里高利焦點位置。后期擬陸續(xù)配備13/3.6 cm,3.6/0.9 cm,1.3 cm,7 mm 和3 mm 波段5 套高頻接收機，共計10 套接收機，工作頻率覆蓋0.27～115 GHz，具備總功率、偏振、頻譜、甚長基線干涉測量等多種觀測模式。

圖31 QTT 模型

QTT 項目建設(shè)在即，相應(yīng)的各個波段接收機的預(yù)研工作已經(jīng)展開，其中20 cm 波段PAF 作為其中唯一一臺相控陣饋源接收機，為大型射電望遠鏡使用相控陣饋源實現(xiàn)數(shù)十乃至上百個波束同時觀測提供了可能。20 cm 波段相控陣饋源接收機主要由低溫制冷前端、常溫微波單元、信號采集與傳輸單元、電源與監(jiān)控單元、校準單元、制冷系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖32 所示[67]。

圖32 QTT 20 cm 波段PAF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

QTT 20 cm 波段PAF 接收機射頻帶寬0.7～1.8 GHz，雙線極化輸出，為了盡可能降低接收機噪聲溫度，96 個單元饋源陣列和第一級低噪聲放大器整體制冷，輸出信號經(jīng)濾波放大之后直接由數(shù)字化光纖傳輸，96 陣元布局如圖33 所示。目前，正在開展低溫制冷前端設(shè)計。該PAF 低溫制冷前端是接收機的核心部分，其噪聲溫度指標決定了整個接收機系統(tǒng)的靈敏度。低溫制冷前端由真空微波窗口、正交模耦合器、低溫定向耦合器、低溫隔離器、低溫低噪聲放大器與低溫射頻電纜組件及制冷機構(gòu)成，制冷部件工作于20 K 溫區(qū)，外層加入溫度為77 K 的冷屏降低熱輻射效率，進一步保證制冷器件的工作溫度，整個低溫微波單元封裝在杜瓦內(nèi)。

圖33 QTT 20 cm 波段PAF 96 陣元布局

4 總結(jié)與展望

將PAF 應(yīng)用于焦平面陣列的優(yōu)點在于其可以通過優(yōu)化波束來提升望遠鏡在靈敏度、旁瓣和偏振特性方面的性能。與此同時，PAF 相較多波束技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計方面將面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如采取陣列低噪放后級直接數(shù)字化，有助于提升系統(tǒng)的緊湊性，消除了同軸電纜或光纖鏈路復(fù)雜程度，但會增大數(shù)據(jù)量，另外還包括緊湊性、對外部射頻干擾的敏感性、對通道隔離提供足夠的信道、射頻信號泄漏控制、制冷、重量和成本等方面。未來射電天文領(lǐng)域PAF 的研究重點及主要挑戰(zhàn)包括PAF 陣列的數(shù)值模擬、PAF 接收機的噪聲優(yōu)化、PAF 的波束合成技術(shù)，以及PAF 的陣列校準。

射電天文學(xué)的蓬勃發(fā)展正在積極推動著高靈敏度相控陣饋源的研究。大型單面板射電望遠鏡，如上海臺天馬望遠鏡、國家臺FAST、新疆臺QTT，以及大型射電望遠鏡陣列，如中國SKA 項目，均在積極推動著國內(nèi)相控陣饋源技術(shù)研發(fā)。隨著射電天文觀測需求的不斷攀升，對相控陣饋源的性能也提出了更為嚴苛的要求，接收機研發(fā)人員將面臨更大挑戰(zhàn)，例如超寬帶、低噪聲、全制冷、實時數(shù)字信號處理等，這些需求已經(jīng)成為相控陣饋源在未來幾年內(nèi)的發(fā)展方向。相信在不遠的未來，新一代PAF 將會成為天文學(xué)家開展巡天觀測的科學(xué)利器，也將使得對瞬態(tài)宇宙現(xiàn)象的研究成為可能。