大型射电天文望远镜中的致密焦面阵列馈源研究

Although present multi-beam radio astronomical telescopes with multiple fed-horns (MHMBF) can achieve multiple beams simultaneously, their fringe beams have low antenna efficiency, the number of beams is limited and the shaped beam is hard to obtain. Though the digital beam forming phased array feed (DBFPAF) can accelerate the survey scanning and its beam can be shaped, the existing DBFPAF radio astronomical telescopes only have one or few beams simultaneously and it is hard to deal with broad-bandwidth signs. For the nonstationary random signals of celestial bodies, the long observing time is absolutely necessary. In addition, the observing integral time should be protracted to improve the sensitivity of the receiver, so the quick scanning of DBFPAF sometimes can not play its advantages, the novel dense focal plane array feed which integrates the characteristics of MHMBF and DBFPAF and can achieve multiple fixed beams simultaneously is favorable. This project will support the realization method of a multi-band, dual-polarization dense focal plane array feed with multiple shaped beams and its beam-forming network for the giant radio telescope. This research will provide a solid theoretical foundation and practical experience for the radio astronomical telescopes which can observe or survey large-area sky much more efficiently.

现有的多喇叭多波束馈源(MHMBF)射电天文望远镜虽然可以同时形成多个波束，但波束数目有限，很难实现赋形波束，边缘波束效率低下。数字波束相控阵列馈源(DBFPAF)扫描速度快且可以实现赋形波束，但目前的DBFPAF望远镜同一时刻只能形成一个或少数几个波束，且很难处理宽带信号。对非平稳的随机天体信号，需要进行长时间观测；且为了提高接收机灵敏度，需要延长观测积分时间，DBFPAF在射电天文望远镜中有时并不能发挥其快速扫描的特点，因此融合了MHMBF和DBFPAF的特点、能同时产生多个固定波束的新型致密焦面阵列馈源更受青睐。本课题研究多波段、双极化、赋形多波束致密焦面阵列馈源及其波束形成网络实现方法，为射电天文望远镜能更有效地进行大范围空间观测和搜索奠定坚实的理论基础和设计经验。

现有的多辐射器多波束馈源射电天文望远镜虽然可以同时形成多个波束，但波束数目有限、很难实现赋形波束且边缘波束的天线效率低下。因此能同时产生更多赋形波束的新型致密焦面阵列馈源更受青睐。本项目将反射面天线理论、阵列天线设计方法和阵列信号处理相结合，对多波段、双极化、多波束致密焦面阵列馈源的阵元形式、阵列结构及设计阶段和工作状态下求解阵元激励电压的方法进行了系统的研究，并对现代新型反射阵列和透射阵列的实现方法在致密焦面阵列馈源设计中的借鉴作用进行了研究，提出了一系列新的设计理论和方法。以500米口径球面望远镜(FAST)及其目前工作的频段为例，给出了设计致密焦面阵列馈源的详细方案，给出了设计参数和性能指标，编写了设计软件并进行了仿真，并与经典的19喇叭19波束馈源进行了对比分析，同时将不同阵列结构的致密焦面阵列馈源进行了对比分析。为了分析宽频带致密焦面阵列馈源的性能，制作了宽频带、双极化致密焦面阵列馈源实验模型，并进行了测试，利用测试和仿真的数据设计了更大规模的致密焦面阵列馈源。对于每个波束，分析了阵元的有源阻抗，并计算了有源阻抗导致的反射面天线效率损失。最后利用阵列馈源的初级辐射方向图计算了多种形式的多波束反射面天线的辐射远场。研究结果为射电天文望远镜或者其他领域的多波束反射面天线能更有效地进行大范围空间观测和搜索奠定了坚实的理论基础和设计经验。