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为何不见FAST天线电性能文章?

已有 730 次阅读 2019-10-20 14:15 |个人分类:天线|系统分类:观点评述| FAST, 天线, 馈源, 选址

为何不见FAST天线电性能文章?

Why not see FAST antenna electrical performance article?

都世民(Du Shimin

摘要:本文讨论科学网的一篇精选文章,有关FAST的天线。因这个天线是国家重点工程,对其有关介绍,应该包括天线电性能。笔者对这篇文章的问题,提出一些看法。

关键词:FAST天线,馈源,选址。

引言

 2019-10-19 10:25 ,科学网发表一精选文章:作为天线的FAST”,作者是中国科学院国家天文台,钱磊。作者声明文章不让转载,笔者只好给出链接如下:

(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=117333&do=blog&id=1202552)

文章内容令人不解!其原因如下:

這篇文章是介绍世界上最大单一口径、著名的天眼射电天文望远镜。这是我国十一五重大科学工程天线的结构、电气、工程都采入新的设计方法,采用主动反射面系统、馈源支撑系统创新设计,主动反射面采用索网柔性结构,反射面为4600块拼合而成,主动变位以满足型面精度要求。馈源主波束辐照在反射面的口径为300米。馈源相位中心位于反射面焦点,跨度约有139米,可以实时调整。反射面是瞬时抛物面,馈源相位中心可以精准调整到抛物面的焦点。在天线结构工程测量中,要实现多目标、大跨度、高精度、高效率、非接触式测量。这是大型天线结构的研究热点和难点。然而这一篇精选文章,却很少涉及这些难点,也不像一个懂天线的人所写。作者署名是科学院国家天平台。对这一篇文章提出的问题作下列讨论:

什么是天线?

德国卡勒休高级技术学校的实验物理学教授赫兹(H.Hertz18571894为了深测电磁波的存在,研制了一套收发装置,赫兹的收发装置使用了天线,实际上就是最早的天线。而接收器则是最早的“检波器”。反射面天线也是赫兹发明的。后来运用到射电天文望远镜。天线本来就是收、发电磁波装置的前端,因此天线不仅发射电磁波,也接收电磁波

FAST是什么意思?它是Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope),英文单词的词头,FAST强调的是射电望远镜,它离不开天线。它具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。2016921日建 工程投资约6.67亿人民币索网制造与安装工程也是500米口径球面射电望远镜工程的主要技术难点之一,其关键技术问题主要包括:超大跨度索网安装方案设计、超高疲劳性能钢索结构研制、超高精度索结构制造工艺等。主索索段控制精度须达到1毫米以内,主索节点的位置精度须达到5毫米,索构件疲劳强度不得低于500MPa。整个索网共6670根主索、2225个主索节点及相同数量的下拉索。索网总重量约为1300余吨索网采取主动变位的独特工作方式。FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。

另外,在天线结构工程测量中,要实现主动变位型面测量,它具有多目标、大跨度、高精度、高效率、非接触式测量,這也是主要技术难点之一。

1937年,全世界独一无二的抛物面型射电望远镜试制成功。它的天线抛物面直径为9.45米,工作波长为1.87米,针状主波束宽度为12

对天线而言,天线的直径D与波长 λ的比决定了波束宽度、指向精度、天线增益。FAST工作频率,从70MHz3000MHz,在最高频率,D/ λ=3000。在最低频率,要缩小近100倍。所以对这个天线而言,不能认为是“巨眼”。美国的直径 305米固定球面﹑工作于厘米和分米波段的射电望远镜。还有一些直径10米左右的毫米波射电望远镜。1960年,英国剑桥大学卡文迪许实验室马丁·赖尔Ryle)利用干涉的原理,发明了合成孔径射电望远镜。

天线FAST什么关系?

FAST是射电天文望远镜因为它是电磁波接收装置,采用的天线外形口径是500米。FAST的反射面基准状态是一个球冠面。这个球面的半径是300切下的口径是500米。为什么说天线有效口径是300米?这300米不是球面半径300FAST天线系统的馈源有设定的波束宽度,这个波束宽度辐照到天线型面上直径为300米。该天线系统是接收电磁波,馈源不是光源,不能用光的概念叙述另外,FAST的天线型面是瞬时抛物面,它的焦距直直径比F/D=0.4621天顶角 40°

FAST为什么选择在山区洼地?

FAST为什么选在贵州的山区洼地里?FAST系统工作时,接收的电磁波信号很微弱,怕周围环境的电磁干扰,因此希望选址选在电磁波的静区,免受周围电磁波的干扰;在洼地里,电磁波进不去,另外建设起来土方量很少。FAST设置地址要求5公里以内,不允许设置电磁波信号源。https://wenku.baidu.com/view/538e1c0f4693daef5ff73d24.html

FAST天线是什么样型面?

FAST的天线反射面是一球冠面,作为基准状态。工作时为瞬时抛物面,反射面型面与馈源相位中心位置都实时可调。天线反射面是4,450个三角形面板拼合而成12相似三角形的铝合金面板,每个等边三角形三个交点孔位置精度保持在0.1-0.15mm下面有2,225个绞盘,这可以使反射面的形状变形。有排水和除冰设计。

也就是说,FAST的反射面的是一个球冠面。这个球冠面的半径是300米,口径是500米。

该系统工作频率范围宽,是多频段,一种馈源无法实现这么宽的频带,如果采用多个馈源,同时放置在焦点附近,会增加天线的馈源重量,影响型面变形和馈源偏焦,影响系统的指向精度。在低的工作频率的情况下,馈源尺寸也比较大,如果几个馈源同时放在焦点附近,很难保证相位中心都在焦点,对于这个问题没有介绍。实际上馈源相位中心不是一个点,应该测量多极化面的相位中心,实现起来也很困难,所以只能考虑主平面相位中心,放置在焦点。

FAST天线口径是500米还是300米?

FAST天线馈源照射到反射面的瞬时抛物面区域是有效口径,它的直径是300米。不是500米。馈源照射到反射面的瞬时抛物面区域是由电气设计决定,选定馈源的波束宽度,测定馈源相位中心,才能确定照射到反射面的夹角,夹角内是有效照射面积。这里不能用光的思路和概念讨论这一问题,因为设计时不单纯是几何关系,还有物理光学和几何绕射的理论。

FAST天线反射面型面的精度

反射面型面要满足电气设计的需要,达到所要求的精度。FAST系统最高工作频率是3GHz,要求天线型面精度为5毫米。约为工作波长的1/20天线型面测量精度为2毫米馈源控制精度为10毫米,要求测量精度为为5毫米。对天线型面变形测量要求1-2min。测量要求全天候、全天时、全自动化、智能化。10余个毫米级精度基准站组成的测量基准网。通过9个近景测量基站,对反射面型面实时扫描。

应当指出的是,这里没有指明天线反射面型面公差,是最大值还是均方根值?在南仁東指导的研究生报告中也没有说明。应该指明是均方根值型面公差。

https://www.doc88.com/p-5179896454351.html

FAST反射面的基准形状是球面。为什么要实现抛物面型面?因为馈源辐射的是球面波,为了得到针状波束,就需要将球面波变成平面波,那么反射面必须是聚集抛物面,在多波段的情况下,为了节省成本,天线型面不变,只改变馈源,这是比较好的方案FAST馈源放在直径10米左右的馈源舱内,在馈源舱内安装Stewart平台(精调并联机器人)用于二级调整;制造两级调整机构之间的转向机构,辅助调整馈源舱的姿态角。利用激光跟踪仪及激光跟踪系统实现对馈源舱实时反馈的控制

20191020.png

笔者至今没有找到有关电气设计的介绍,已有的介绍也不完整,重点不突出,对结构设计介绍的很详细




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1 杨正瓴

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