射电望远镜天线相控阵馈源技术研究

论文摘要

相控阵馈源是作为多波束馈源使用的小型相控阵天线。在射电天文领域，相控阵馈源可用于产生几十个乃至上百个紧密交叠的波束，有效地扩大射电望远镜的视场，提高其巡天效率，还可以消除人为因素对射电望远镜的电磁干扰以及重力等因素引起的反射面形变，因此被称为下一代射电望远镜的关键技术之一。本文在综述国内外相控阵馈源技术发展的基础上，结合科研课题，对射电望远镜相控阵馈源技术进行了系统和深入的研究，所取得的主要研究成果总结如下：1.深入研究了相控阵馈源与射电天文观测需求之间的联系。基于射电望远镜高灵敏度、高分辨率以及快速巡天的要求，分析了各种多波束天线方案的可行性，得出了以焦平面阵列馈电的反射面天线更适合于射电天文观测的结论。针对这一方案，详细比较了相控阵馈源与传统的馈源组（通过增加馈源数量实现多波束）这两种焦平面阵列的特点，前者在波束数量、方向图灵活性、视场范围和连续性以及抗电磁干扰等方面更具优势，能够更好的满足射电天文观测的需要。2.深入研究了馈源与反射面系统之间的联系。总结了各种形式的反射面天线及其建立的条件。以“五百米口径球面射电望远镜（FAST）”、上海65m射电望远镜（SHAO65m）以及平方公里阵（SKA）中频阵列单元的中国设计方案DVA-C等不同形式的射电望远镜天线为例，通过计算平面波在天线焦平面形成的场分布，分析了各种形式的反射面天线及其几何参数对馈源设计的影响，得到了反射面系统对馈源影响最大的参数是照射角的结论。该参数决定了馈源的口径和需要的口径场分布。重点研究了多波束应用中，反射面系统的形式和参数，以及赋形对波束扫描性能的影响，得出了一些实用的设计参数和规律，可用于指导工程设计。3.建立了基于焦面场分析的相控阵馈源天线阵列的设计方法，并深入研究了其对射电望远镜性能的影响。对于给定的反射面系统的参数和波束覆盖，可利用焦面场分析计算出天线阵列的尺寸，并根据采样定律确定出馈源阵列最大的阵元间距。详细分析了焦平面阵列馈电射电望远镜各波束增益存在差别的原因，研究了阵元尺寸和间距变化对射电望远镜增益和视场的影响，比较了矩形和六边形两种排列方式的特点，得出了射电望远镜性能随馈源阵列变化的一系列规律。基于这一方法，针对FAST的观测需求，具体设计了一个在L频段能够实现上百个波束观测的相控阵馈源（FAST PAF），并进行了初步的样机验证。4.针对FAST PAF的应用，提出了将背腔振子天线缩小尺寸、组阵使用的思路，其优点是展宽工作频带、提高方向图的对称性，同时抑制了阵元间耦合。通过比较背腔形状在六边形排列时的影响，选定以六边形背腔振子天线作为阵列单元，并进行了阵列单元和19元阵列的设计、加工、测试和验证。该单元形式能够充分利用阵列面积，适用于六边形排列的相控阵馈源阵列。5.建立了相控阵馈电射电望远镜天线系统性能分析的数学模型。在此基础上，分析了波束合成因子对射电望远镜性能的影响，比较了共轭匹配法、最大方向性系数和最大信噪比三种波束合成因子的特点，研究了波束合成因子与波束增益、系统噪声之间的联系。总结了射电望远镜系统噪声的组成和抑制方法，对阵列天线单元与低噪声放大器阻抗失配这一系统噪声的主要贡献进行了重点研究，并比较了各种阻抗匹配方法的特点和可行性。6.针对FAST的结构特点，提出以自适应波束合成消除馈源舱扰动引起的波束性能劣化和指向精度下降，建立了这一问题的数学模型、系统构架以及校准方案，并进行了初步的仿真验证。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容及主要工作
• 1.3.1 本文的研究内容与安排
• 1.3.2 作者的主要工作
• 第二章 射电望远镜天线多波束技术
• 2.1 射电天文的观测需求
• 2.2 多波束天线技术
• 2.3 相控阵馈源技术
• 2.4 FAST 相控阵馈源计划
• 2.5 本章小结
• 第三章 反射面系统与焦面场分析
• 3.1 反射面系统原理
• 3.2 焦面场分析
• 3.2.1 焦面场分析方法
• 3.2.2 焦面场匹配
• 3.3 反射面系统对焦面场的影响
• 3.3.1 抛物面天线
• 3.3.2 双反射面天线
• 3.3.3 反射面赋形
• 3.3.4 第一焦点的场分布
• 3.4 反射面系统对多波束性能的影响
• 3.4.1 单反射面天线
• 3.4.2 双反射面天线
• 3.4.3 反射面的赋形
• 3.5 本章小结
• 第四章 相控阵馈源阵列研究
• 4.1 相控阵天线与相控阵馈源
• 4.2 阵列规模与排布
• 4.2.1 阵列规模
• 4.2.2 单元间距
• 4.2.3 阵列排布
• 4.3 阵列对视场的影响
• 4.3.1 阵元方向图
• 4.3.2 阵元间距
• 4.3.3 阵列排布
• 4.3.4 阵元数量
• 4.3.5 小结
• 4.4 阵元阻抗匹配
• 4.5 本章小结
• 第五章 波束合成因子的计算
• 5.1 共轭匹配法
• 5.2 最大方向性
• 5.3 最大灵敏度
• 5.3.1 射电望远镜系统的噪声
• 5.3.2 天线信噪比模型
• 5.3.3 最大信噪比算法
• 5.4 抗干扰算法
• 5.5 FAST 馈源舱扰动的消除
• 5.6 本章小结
• 第六章 相控阵馈源设计及样机验证
• 6.1 相控阵馈源设计方法
• 6.2 FAST 相控阵馈源设计
• 6.2.1 焦面场分析
• 6.2.2 阵列尺寸
• 6.2.3 阵元间距
• 6.2.4 阵元设计
• 6.3 原理样机测试
• 6.3.1 单个阵元测试
• 6.3.2 19 元阵列测试
• 6.4 模拟波束合成
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 论文主要研究成果
• 7.2 需进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果