馬 月，龐 峰，王 君，于京龍1,，彭 勃1,

(1.中國(guó)科學(xué)院FAST重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101)

1 引言

在星系演化和復(fù)雜相互作用研究中，射電天文學(xué)觀測(cè)對(duì)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)和巡天速度提出了更高要求。相位陣饋源(phased array feed,PAF)是一種全新的射電天文技術(shù)，可以為射電望遠(yuǎn)鏡提供較大的視場(chǎng)，并顯著提高巡天速度。相位陣饋源就像無線電攝像機(jī)一樣，通過對(duì)其單元響應(yīng)加權(quán)組合，在天空中形成多個(gè)瞬時(shí)波束。在這些波束的形成過程中形成了許多自由度，例如，控制光束模式及其旁瓣、優(yōu)化孔徑效率和執(zhí)行射頻干擾RFI(radio frequency interference)消減[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)喇叭饋源系統(tǒng)，PAF 系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括陣列天線工作帶寬、掃描范圍、陣元間耦合；此外，在低噪聲放大器設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸、數(shù)字信號(hào)處理和系統(tǒng)校準(zhǔn)等領(lǐng)域也有諸多困難。

因?yàn)榫邆湎冗M(jìn)的科學(xué)探測(cè)能力和極高技術(shù)可行性，PAF 是SKA 先進(jìn)儀器計(jì)劃中重點(diǎn)研發(fā)的技術(shù)。澳大利亞平方公里陣列(square kilometre array,SKA)探路者——ASKAP(Australian SKA Pathfinder)，成功開發(fā)出具有寬視場(chǎng)的創(chuàng)新“相位陣饋電”接收器，并首次將這種技術(shù)應(yīng)用于射電天文觀測(cè)。

本文將介紹一些目前正在為現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡和未來望遠(yuǎn)鏡開發(fā)的PAF 系統(tǒng)，通過分析現(xiàn)有PAF 技術(shù)，提出了一種全新的陣列單元設(shè)計(jì)方案。

荷蘭APERTIF(APERture Tile In Focus)[2]工作在1～1.75 GHz，饋源由121 個(gè)Vivaldi單元組成，激勵(lì)饋電56 個(gè)單元。2011 年，澳大利亞SKA 先導(dǎo)單元是第一個(gè)配備相位陣饋源的射電望遠(yuǎn)鏡，安裝了雙極化焦平面陣列饋源，饋源陣列采用188 個(gè)棋盤式貼片單元印刷在低損耗的介質(zhì)材料上，工作頻段為700～1 800 MHz[3]。自2015 年，Dunning 等人[4]開展了全金屬Rocket 5×4 陣列PAF 饋源研究，工作在0.55～1.8 GHz，陣列間距90 mm，采用差分饋電，輸入阻抗180 Ω。加拿大National Research Council(NRC)的Lisa 正在開展制冷相位陣饋源的研究[5]，設(shè)計(jì)了140 個(gè)全金屬Vivaldi 單元，饋電激勵(lì)96 個(gè)單元，44 個(gè)無源單元，工作在S/C 波段的2.8～5.18 GHz。美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)(national radio astronomy observatory,NRAO)與美國(guó)楊百翰大學(xué)(Brigham Young University,BYU)合作，2010 年Karl 等人為美國(guó)西弗尼亞州綠岸(Green Bank)20 m 望遠(yuǎn)鏡天線上安裝了單極化19 單元粗偶極子相位陣饋源，工作在1.36～1.84 GHz，輸入阻抗50 Ω[6]。2017 年BYU 與NRAO 為美國(guó)綠岸射電天文望遠(yuǎn)鏡(Green Bank Telescope,GBT)——100 m 研制了新型雙極化19 單元PAF 饋源Focal L-band Array for the GBT (FLAG) Phase II，中心頻率是1 350 MHz，振子間距0.68λ，工作帶寬150 MHz[7]。英國(guó)正在為SKA 中頻孔徑陣列天線開展PAF 研究，主要工作頻段在400～1 450 MHz，采用電容緊耦合八角環(huán)形振子天線形式，雙極化方式，利用三層介質(zhì)超材料改善帶寬，由117 個(gè)單元組成[8]。

目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)進(jìn)行的是低頻段窄帶相位陣饋源的研究。PAF 在SKA 建設(shè)準(zhǔn)備階段的研究中屬AIP(先進(jìn)儀器項(xiàng)目)，目的是通過相位陣饋源天線陣有效擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)，提高巡天觀測(cè)效率。開展寬帶相位陣饋源的可行性研究，將擴(kuò)大單個(gè)接收機(jī)頻率覆蓋，同時(shí)減少接收機(jī)數(shù)目，提高觀測(cè)靈敏度，在建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)階段有重要意義。本論文主要對(duì)寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的槽線天線TSA (tapered slot antenna)陣列單元研究。

2 全金屬LTSA 直線漸變縫隙天線相位陣陣列單元的設(shè)計(jì)與分析

在相位陣饋源的研究中，陣列單元的形式選擇尤為重要，本文采用的是直線漸變縫隙天線LTSA(linearly tapered slot antenna)。目前，TSA 天線在單極化和雙極化的超寬帶天線中比較流行，廣泛應(yīng)用于通信偵查、電子戰(zhàn)和雷達(dá)上。TSA 天線結(jié)構(gòu)具有極好的電氣性能，易加工、成本低、功率高和耐久性強(qiáng)。

TSA 天線最早由Lewis 等人于1974 年提出，1979 年Gibson 也對(duì)其進(jìn)行了研究，并命名為“Vivaldi”。傳統(tǒng)TSA 天線由漸變張開的槽線印制于微波基片上構(gòu)成，通常由微帶線或帶狀線饋電。根據(jù)漸變形式不同，漸變縫隙天線主要有三種：指數(shù)漸變(Vivaldi)、直線漸變(LTSA)、等寬漸變(CWSA)。三種形式各有優(yōu)點(diǎn)：指數(shù)漸變的帶寬最寬，但增益較低；等寬漸變的增益最大，但帶寬較窄；直線漸變的帶寬和增益都介于兩者之間，并且有穩(wěn)定的輸入阻抗[9]。直線漸變縫隙天線(LTSA)屬于端射行波天線，一般可以印刷在介質(zhì)板上或者全金屬鑄造一條逐漸張開的槽線而將電磁能量輻射出去。這種天線具有寬頻帶，方向圖對(duì)稱性好，在組成陣列時(shí)，陣元間互耦效應(yīng)可改善其匹配。其中全金屬LTSA 天線形式，采用SMA(Sub-Miniature-A)連接器直插饋電，相較于傳統(tǒng)印刷型Vivaldi 陣列天線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，耐大功率，易于模塊化拓展的優(yōu)點(diǎn)。因此，直線漸變縫隙天線在相位陣方面得到廣泛應(yīng)用。本文研究的是全金屬直線縫隙漸變天線。

由于TSA 天線寬頻帶特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在介質(zhì)天線上已開展了很多應(yīng)用，例如，在UWB 頻段LTSA 天線[10,11]，在UWB 頻段上的改進(jìn)型橢圓對(duì)稱對(duì)踵Vivaldi 設(shè)計(jì)[12]。傳統(tǒng)TSA 天線是利用電路技術(shù)印刷在介質(zhì)板上，介質(zhì)天線具有重量輕、成本低、加工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。但它也具有一些缺點(diǎn)，例如帶來大的微帶損耗、復(fù)雜的安裝和集成、低的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。全金屬結(jié)構(gòu)天線可以克服這些缺點(diǎn)，如Lekshmi 和Raglend[13]在9～9.8 GHz 的全金屬Vivaldi單極化陣列天線的設(shè)計(jì)，Kindt 和Pickles[14]在725 MHz～8.7 GHz 改進(jìn)型的雙極化全金屬64 陣列Vivaldi 天線研究等。LTSA 天線作為相位陣饋源的主要應(yīng)用形式，本文主要介紹在4～12 GHz 頻段內(nèi)Vivaldi 陣列單元CST(computer simulation technology)電磁仿真模型、設(shè)計(jì)過程及樣機(jī)加工測(cè)試。該樣機(jī)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成了駐波測(cè)試，在微波暗室完成了方向圖及增益測(cè)試。

2.1 LTSA 天線單元的設(shè)計(jì)方法及仿真模型分析

2.1.1 LTSA 天線設(shè)計(jì)原則

Yngvesson 等人[15,16]對(duì)于LTSA 饋源陣做了大量研究，建立了一些經(jīng)驗(yàn)公式，指出要獲得高的輻射效率，要求天線結(jié)構(gòu)滿足以下條件(如圖1 所示)：

圖1 傳統(tǒng)LTSA 天線參數(shù)示意圖

(1) 使天線有效輻射、漸變槽口徑寬度W1>λc/2 (λc為中心頻率8 GHz 在空氣中的工作波長(zhǎng))；

(2) 漸變張開角度2α的取值范圍：5°～20°；

(3) 天線漸變段長(zhǎng)度取值2λc～10λc，L小于2λc時(shí)，天線不能形成行波電流，大于10λc時(shí)長(zhǎng)度增加對(duì)增益提高很小。

在開展LTSA 天線設(shè)計(jì)時(shí)，我們遵循了此原則。

2.1.2 LTSA 天線模型設(shè)計(jì)

我們對(duì)以下參數(shù)優(yōu)化了LTSA 天線主體結(jié)構(gòu)，天線仿真模型及參數(shù)如圖2 所示。最終優(yōu)化的LTSA 天線模型參數(shù)值見表1。

表1 最終優(yōu)化的LTSA天線模型參數(shù)值

圖2 LTSA 天線仿真模型及參數(shù)

針對(duì)饋電點(diǎn)的設(shè)置及同軸探針內(nèi)導(dǎo)體的設(shè)計(jì)如圖3 所示，主要在內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)增加2 個(gè)匹配環(huán)，改善全頻段內(nèi)的駐波特性，獲得穩(wěn)定的輸入阻抗。

圖3 LTSA 天線同軸饋電設(shè)計(jì)模型

2.1.3 LTSA 天線仿真模型分析

經(jīng)CST 軟件優(yōu)化仿真，由圖4 所示，漸變段長(zhǎng)度L1 優(yōu)化到79 mm，駐波可滿足全頻段2 以下。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為5 mm，漸變段長(zhǎng)度L1 (84 mm)越長(zhǎng)時(shí)，在5 GHz 駐波越高；漸變段長(zhǎng)度L1(74 mm)越短時(shí)，在4 GHz 駐波越高。Slot 縫隙長(zhǎng)度L3 優(yōu)化到6 mm，駐波可滿足全頻段2 以下。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為3mm，Slot 縫隙長(zhǎng)度L3 (9 mm)越長(zhǎng)時(shí)，在5 GHz以后的頻段駐波全部升高；Slot 縫隙長(zhǎng)度L3 (3 mm)越短時(shí)，在4.5 GHz 駐波越高。Slot縫隙寬度W2 優(yōu)化到2.5 mm，駐波可滿足全頻段2 以下。仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.5 mm，Slot 縫隙寬度W2 (3 mm)越寬時(shí)，在4.5 GHz 駐波越高；Slot 縫隙寬度W2 (2 mm)越窄時(shí)，在5 GHz 以后的頻段駐波全部升高。對(duì)比內(nèi)導(dǎo)體匹配環(huán)對(duì)駐波的影響，內(nèi)導(dǎo)體只加匹配環(huán)1 可以降低4.5 GHz,78 GHz 駐波；內(nèi)導(dǎo)體只加匹配環(huán)2，可改善低頻段4.5～5.2 GHz 的駐波；內(nèi)導(dǎo)體同時(shí)加匹配環(huán)1 和2，可有效降低全頻段的駐波。

圖4 LTSA 漸變段長(zhǎng)度L1、Slot 縫隙長(zhǎng)度L3、Slot 縫隙寬度W2 和內(nèi)導(dǎo)體匹配環(huán)對(duì)駐波的影響

綜上所述，直線縫隙天線中引入腔體縫隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線良好的匹配，獲得了較好的駐波特性；同軸探針采用多個(gè)匹配塊級(jí)聯(lián)的方式，內(nèi)導(dǎo)體增加匹配環(huán)消除了駐波不連續(xù)性，并實(shí)現(xiàn)了50 Ω 阻抗匹配。

2.2 LTSA 天線單元樣機(jī)及測(cè)試

為了驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)方法的正確性，加工了單端口全金屬鋁質(zhì)LTSA 天線單元樣機(jī)(如圖5 所示)，并分別測(cè)試了駐波和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。

圖5 LTSA 天線單元樣機(jī)

2.2.1 LTSA 駐波測(cè)試

LTSA 饋源單元樣機(jī)經(jīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進(jìn)行了駐波測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果與CST 的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。由圖6 所示，VSWR測(cè)試與仿真的數(shù)據(jù)比較匹配，除測(cè)試點(diǎn)在5 GHz 時(shí)高于2，其余頻段均小于2，實(shí)現(xiàn)了412 GHz 內(nèi)3 倍頻程工作帶寬。

圖6 LTSA 天線VSWR 仿真與測(cè)試對(duì)比

2.2.2 LTSA 方向圖及增益測(cè)試

LTSA 饋源單元樣機(jī)在微波暗室進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)試，由圖7 和8 可以看出，E,H 面主極化遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖實(shí)測(cè)與仿真在大多數(shù)頻率下的趨勢(shì)基本吻合，10 dB 波束寬度在大多數(shù)頻段內(nèi)維持約±36°，增益最大值在全頻段內(nèi)4～8 dBi 之間。

圖7 LTSA 天線最大增益仿真與測(cè)試對(duì)比

3 LTSA 饋源單元天線結(jié)論

圖8 E,H 面主極化方向圖仿真實(shí)測(cè)對(duì)比

本文對(duì)全金屬LTSA 直線漸變縫隙天線相位陣陣列單元開展了設(shè)計(jì)與分析，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。E,H 面主極化方向圖仿真與測(cè)試結(jié)果比較一致，10 dB 波束寬度在大多頻段內(nèi)約±36°，最大增益值在全頻段4～8 dBi 之間，可以實(shí)現(xiàn)天線樣機(jī)4～12 GHz 頻段三個(gè)倍頻程工作帶寬。對(duì)比傳統(tǒng)的LTSA 天線，我們?cè)黾恿饲惑w縫隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線良好匹配，獲得了較好駐波特性。同時(shí)，采用同軸探針饋電，內(nèi)導(dǎo)體增加匹配環(huán)消除了駐波不連續(xù)性，并實(shí)現(xiàn)了50 Ω 阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬帶特性。從表2 可以看出，近幾年射電天文相位陣饋源陣列單元天線性能對(duì)比中，利用全金屬進(jìn)行LTSA 天線的設(shè)計(jì)，并引入腔體縫隙結(jié)構(gòu)和內(nèi)導(dǎo)體匹配環(huán)的新型饋源單元設(shè)計(jì)，已實(shí)現(xiàn)了寬頻帶性能的設(shè)計(jì)要求，可以繼續(xù)進(jìn)行組陣研究。這無疑為SKA 射電望遠(yuǎn)鏡高性能饋源的應(yīng)用提供了一種可能的選擇。

表2 近幾年射電天文中的相位陣饋源陣列單元天線性能對(duì)比

致謝

感謝國(guó)家天文臺(tái)所級(jí)公共技術(shù)中心的中國(guó)科學(xué)院儀器設(shè)備功能開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)施方案《FAST超寬帶相位陣饋源的研制》相關(guān)設(shè)備的支持。