平方公里阵中国验证天线光学设计

平方公里阵SKA(Square Kilometre Array)将是世界上最大的综合孔径射电望远镜,致力于回答宇宙起源等基本问题.目前SKA项目已进入建设准备阶段,包括中国在内的许多国家正在进行先导天线、相控阵馈源、超宽带单波束馈源等关键技术的试验研究.其中,中国验证天线DVA-C(Dish Verification Antenna-China)是我国针对SKA中频反射面天线阵列提出的技术方案.文章详细介绍了DVA-C的微波光学与馈源的设计思路、方法和研究成果,以及预期达到的指标.由于DVA-C以轴向波束性能最优作为设计原则,对使用相控阵馈源的多波束观测造成了一定影响,故文中对此也进行了仿真和分析,并提出了应对的方案.

一种应用于平方公里中频阵的锥削槽天线阵的设计

设计了一种应用于平方公里中频孔径阵列的双极化超宽带锥削槽天线.该天线采用五边形谐振腔代替传统锥削槽天线的正方形谐振腔,在不占用有源电路面积的情况下,拓展了低频工作带宽;采用辐射板与馈电巴伦分离设计,在不影响天线电性能的前提下,极大地缩小了介质板尺寸以节约加工成本;天线加工成十字形结构以实现阵元间良好的电流连续性和不恶化天线的极化性能.仿真结果显示,该天线能够在0.25~1.57GHz带宽内进行±45°扫描,且在整个工作频带内具备较好的极化特性,因此所设计天线能够满足平方公里(the Square Kilometer Array,SKA)中频阵超宽带、低成本、大扫描角以及高极化隔离度的要求.

一种应用于平方公里中频阵的八角环天线阵

结合平方公里中频孔径阵列的应用场景,文中提出了一种基于电阻膜频率选择表面的超宽带八角环天线单元。其通过在八角环天线阵列与接地板之间加载方环形电阻膜频率选择表面,对由金属地板在对应频点因反相叠加而产生的驻波峰值有效抑制,进而拓宽了天线带宽以及降低了天线剖面。仿真结果表明:加载电阻膜频率选择表面后,天线阵元最终在±45°扫描范围内获得了5:1的阻抗匹配带宽,且天线的剖面降低了约27%。此外,在整个工作频带内天线阵元具有稳定的有源方向图、较宽的半功率波瓣宽度以及较好的极化性能。

深空网中的天线组阵技术及其发展

依据天线组阵技术的基本原理及其在深空网中的发展,介绍了深空网中的5种天线组阵方案,研究了在信号中频进行组阵的全频谱合成方案以及天线组阵技术中的时延补偿、复权值估计算法和最佳权估计算法等关键技术,讨论了天线组阵技术的应用以及在未来深空探测和卫星通信中的应用前景。

浅谈SKA低频射电望远镜试验阵结构设计

平方公里阵SKA(Square Kilometer Array)是计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,致力于回答宇宙起源和星系演化等问题。以低频孔径阵列天线试验阵为研究对象,对SKA高性能轻型天线结构与工艺进行优化设计并详细阐述,实现了天线单元结构紧凑、装配简便。

复合材料柔性电热膜固化方法与温度分布

为解决大型整体化复合材料构件制备的低成本固化问题,采用真空灌注(VARI)成型工艺制备碳纤维/环氧复合材料层合板,发展了一种柔性电热膜(FEHF)固化方法.考察了电热膜的铺放方式、温度制度对复合材料固化温度分布规律和固化程度的影响.结果表明:电热膜拼接铺覆方法温度均匀性最佳,恒温阶段最大温差为11℃,分别比搭接铺覆和间隔铺覆降低了26.7%和38.9%.增加恒温平台有利于减小升温过程中的复合材料不同位置处的温度差异,但最终的温差和温度分布规律与未增加恒温平台相同.采用电热膜拼接铺覆方法制备了大尺寸整体化碳纤维/环氧复合材料天线反射器蒙皮,玻璃化转变温度达到80℃以上,反射器精度达到0.7 mm(r.m.s.),说明电热膜固化方法可用于大型复合材料构件的制备.

SKA天线副反射面缝隙影响分析

面板缝隙会引起天线增益的下降和噪声温度的提高,对追求极致灵敏度的射电望远镜而言,其影响不可忽略。针对国际大科学工程平方公里阵(SKA)的核心设备--15 m双偏置格里高利天线,结合具体的结构设计和制造工艺,对副反射面缝隙的影响进行分析。通过电磁分析指导结构设计,有效抑制了面板缝隙对天线灵敏度的影响,保证了SKA天线的性能。

“SKA建设准备阶段关键问题研究”项目立项报告

该报告在SKA科学目标预研究、天线研究、宽频带大视场接收机系统研究等方面,设立相应研究,针对性地开展相关的射电天文前沿科学和高技术研究。在SKA科学目标与研究方面,主要围绕宇宙再电离、暗能量与暗物质本质、河外射电源、SKA核心数据处理技术等课题开展预研究,同时组织国内射电天文界的相关力量,逐步凝练并形成中国SKA早期科学目标,并在此过程中,逐步发展国内的SKA科学研究团队。同时,将实施中国SKA人才培养计划,为我国未来SKA科学研究进行人才储备建设。在天线阵列研究方面,开展高频段口径15 m天线的天线理论、机械结构、馈电系统,以及大批量、低成本、高可靠性的天线研制技术研究。在宽频带大视场接收机技术方面,开展SKA先进仪器计划中的宽频带单波束接收机和相位阵技术研究,为SKA和国内大口径射电望远镜做相应技术储备。该项目拟基于大学、研究所和工业界现有研究队伍,以产学研合作的方式,培养、发展和壮大我国参与SKA未来建设和科学运行团队。

“反射面天线与焦面场分析”一般性科技报告

SKA的反射面天线覆盖约300 MHz^20 GHz频率范围,宽带单波束馈源和大视场相位阵馈源的使用将有可能对SKA天线的技术方案和综合性能的提高起到重要的作用。该研究拟研究用于SKA反射面天线的宽带单波束馈源和相位阵馈源。SKA的宽带单波束馈源(WBSPF)分两个波段,低频段覆盖约300 MHz^2 GHz,高频段覆盖1.6~10 GHz。课题组目前负责牵头研究宽带单波束馈源中的低频段馈源的研制工作。该课题将研究基于Eleven Feed和Quad-Ridged Flared Horn两种技术的宽带馈源,低噪声放大器和制冷技术方案。宽带单波束馈源技术也可应用于大口径射电望远镜。该研究还将研究用于大口径射电望远镜的相位阵馈源技术,用于提升大口径望远镜的总体性能,如提高巡天效率和单波束增益,开展电指向观测等灵活的观察模式试验。该技术报告主要介绍几类反射面天线的焦面场的仿真分析,和馈源设计中的焦面场共轭匹配的设计原则。这些焦面场的分析为馈源设计提供了重要的技术输入。

高精度三角形铝合金天线反射面的研制

为了满足平方公里阵(Square Kilometer Array, SKA)天线反射面高精度、轻量化、低成本的建设需求,研制了三角形铝合金筋–板胶接结构单元面板。首先设计背筋结构布局,通过仿真分析结构变形情况,优选高效率布局;其次,通过背筋和蒙皮的参数设计进行尺寸优化;最后通过真空负压胶接工艺试制单元面板。结果表明,三角形单元面板的结构设计和制造方法具有创新性,可以满足SKA射电望远镜的指标要求。

大射电望远镜舱索伺服系统的自适应滑模控制

针对大射电望远镜馈源舱跟踪定位问题,提出一种自适应滑模控制方法.从线性化模型出发,将模型偏差、风载荷视为系统外部扰动,通过引入参数自适应机制,在线估计外部扰动并加以补偿.采用Lyapunov稳定性理论,推导了舱索系统的多输入多输出自适应滑模控制律.在此基础上,针对大射电望远镜50 m缩尺模型,采用离散悬索模型和自适应滑模控制方法对舱索控制系统进行了仿真,并与传统的PID控制方法进行对比.结果表明,采用自适应滑模控制使跟踪误差减小到约32%,并提高了抗风扰能力.

基于SKA1-low的数字波束形成技术

为配合我国参与平方公里射电阵(SKA)项目,深入理解数字波束形成条件下的射电干涉观测和相应数据处理算法,提出了基于多相滤波器组信道化数字移相波束形成和基于分数阶时延滤波器数字波束形成两个技术算法,前者使用互相关法求解相移量来提高波束指向精度,后者是传统算法与射电观测理论的有效结合。首先,详细介绍了算法的理论推导并分析了它们的优缺点;然后,通过仿真实验验证了这两个算法的正确性,仿真结果表明基于多相滤波器组信道化数字移相波束形成算法相比传统算法具有一定的优越性;最后,分析了不同阶数时延滤波器对波束形成的影响并得出了相应结论。这些仿真结果及结论可为从事SKA项目的科研人员提供参考。

世界最大综合孔径望远镜SKA低频数字阵列系统研究

数字阵列技术的不断进步促进了其在射电天文、雷达、深空探测等领域新一代探测装置的诞生与发展.本文阐述了国际大科学装置平方公里阵(SKA)及国内外新一代射电望远镜装置的发展趋势,依据当前数字阵列技术,对新一代数字阵列架构的射电天文望远镜进行了研究,分析其系统架构、典型特点、性能优势.结合课题组参加SKA孔径阵列工作包的研究内容,讨论了3种低频孔径阵列系统架构方案及特点,探讨了具有实用价值的系统实施方案.