大口径射电望远镜C波段相位阵馈源关键技术研究

To meet the development needs and overall planning of the 110-meter QTT large-aperture radio telescope in Xinjiang, China, and analyze the low-noise design of its C-band wideband phased array feed, this project will focus on novel high-gain broadband antenna array design methods and focal plane wavefront phase adjustment methods, filter-integrated feeding network design, broadband active impedance noise optimization design. Then, the phase gradient metasurface structure used for the array antenna will be explored and developed, the phase deviation of the focal plane offset effect of the focal plane will be corrected, and the beam forming, gain, sidelobe suppression of the wideband phase array feed will be improved. At the same time, the filtering and mutual coupling suppression characteristics of surface plasmon polariton (SPP) transmission line are brought into play to develop a wideband phased array feed device with anti-radio frequency interference (RFI) and high sensitivity. Through this research, a deep and abundant understanding of the wide-band phased array feed will be formed, which provides a reliable theoretical basis and experimental method for China's new-generation large-aperture radio telescope phase-fed-array feed technology and practice.

面向我国新疆天文台110米QTT大口径射电天文望远镜发展需求和总体规划，分析其C波段宽带相位阵馈源的低噪声设计指标，本项目将致力于新型高增益Vivaldi天线阵列设计方法、焦平面波前相位调控方法、滤波型馈电网络设计、宽带有源阻抗噪声优化设计等理论研究。基于此，探索应用于阵列天线的相位梯度超表面结构，校正焦平面偏焦效应的相位偏差，提升宽带相位阵馈源的波束赋形、增益、旁瓣抑制等性能。同时，发挥表面等离激元（SPP）传输线滤波特性和互偶抑制能力强的特点，研制具有抗射频干扰和高灵敏度的C波段宽带相位阵馈源装置。通过该项研究，形成对宽带相位阵馈源技术更为深刻和丰富的认识，为我国新一代大口径射电望远镜研制和实践，提供科学理论依据和可靠实验方法。

本项目面向我国新疆天文台110米QTT大口径射电天文望远镜发展需求和工程应用，开展C波段宽带相位阵馈源关键技术的研究。具体研究内容包括：新型高增益Vivaldi天线阵列设计方法、干扰频段的噪声抑制、有源阻抗匹配优化方法等理论研究。基于此，探索应用于阵列天线的相位梯度超表面结构，提升宽带相位阵馈源的波束赋形、增益、旁瓣抑制等性能，开展宽带相位阵馈源及滤波馈电网络研究。最终研制具有高灵敏度、抗噪声干扰的C波段射电天文宽带相位阵馈源装置。.项目取得的重要成果主要包括：1、创新性的提出了一种相位补偿的分析方法，该方法较传统的几何光学法更为简洁明了，大大简化了计算过程。在此基础上，构建了一款基于各向异性超表面的高增益小型化Vivaldi天线阵列。2、研制了一款C波段宽带相位阵馈源（PAF）阵列天线，该天线为双极化工作方式，法向最大增益为22dB，波束宽度为12.5°，二维波束扫描角度±45°。3、在成果2的基础上，通过对有源阻抗的分析，加载了基于超表面结构的宽带阻抗匹配层，减小了反射损耗，使得天线阵列增益提高2dB 以上。4、通过设计陷波结构，使得提出的馈源阵列能够实现C 波段卫星通信信号干扰抑制（5900-6500MHz）和5G 移动通信信号干扰抑制（4800-5000MHz），抑制幅度大于20dB。5、将3D打印工艺应用到PAF馈源阵列的设计中，大幅降低了加工成本，提高了馈源性能。.在本项目支持下，发表了学术论文15篇，其中10篇代表作发表在本研究方向IEEE/IET权威期刊上,授权发明专利4项。通过积极参与相关领域国际会议等方式，3名青年教师与国内外同行进行了深入的学术交流与合作。培养博士研究生8名，硕士研究生11名。