FAST天线如何更新？

Do you want to update the FAST antenna?

都世民（Du Shimin）

摘要：本文讨论FAST的天线潜能。因这个天线是国家重点工程，耗资大，研制的周期长，维修的费用也高。但这种大型反射面天线，一旦型面给定以后，应该挖掘潜力，考虑更新问题，扩展探测性能，开发新的资源。基于这些原因，笔者讨论有关问题。

关键词：FAST更新，天线，馈源，超宽带，宽角电扫。

一．引言

1）中国科学院国家天文台钱磊在科学网发表的文章：“作为天线的FAST”。笔者对这篇文章的一些问题已进行了讨论。笔者了解FAST天线系统电气设计不是国家天文台做的，南仁東带的研究生的文章，也表明他本人对天线电气不太了解。这项国家重点工程耗资大，研制的周期长，维修的费用也高，若干年后需要考虑挖掘这项工程的潜力，充分利用它的潜力，提升该工程的性能和探测范围。这是今后需要考虑的问题。

2）另外，笔者在《太赫兹科学与电子信息学报》上，2019年8月，发表的一篇文章，“超宽带饋源技术发展综述”，作者伍洋、杜彪，研制单位是中国电子科技集团公司54所。马军是中科院新疆天文台。不难看出，这两个单位是合作单位，一篇综述文章为何署名两个单位？比较少见。

3）笔者思考国家天文台正在考虑fast天线系统更新问题，主要更新对象应该是馈源部分。而馈源的更新需要更进一步的展宽频率范围。为此笔者搜索超宽带馈源技术，发现湖南大学研究生论文，“超宽带反射面馈源天线设计”，作者：谢超 。文中提到fast的一期工程。

https://www.doc88.com/p-2334894182909.html道客巴巴网。

在科技部863项目支持下,“天籁计划”是由中国科学院国家天文台主持研制的，用于间接观测暗物质的专用射电望远镜,，该射电望远镜的工作频率为400～1400MHz，工作带宽为3.5:1。“天籁计划”一期实验系统，采用了新型四方板超宽带馈源，然而该馈源只能工作在600-1200MHz频段，工作带宽仅为2:1，不能满足“天籁计划”对馈源的设计要求。

4）钱磊发表的文章指出：FAST系统工作频率是从70MHz～3000MHz，最高工作频率是3GHz，波长10cm。该系统工作带宽比一期工程要宽得多。要求天线型面公差均方值小于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。用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。结构设计和制造的难度相当大，克服了不少困难。通常对这类大型天线系统的更新，改进部分主要是饋电系统。

二．饋源的相位中心

馈源是射电天文望远镜的关键部件,其性能的好坏直接影响射电望远镜的性能。射电望远镜的馈源需具有口径效率高、相位中心稳定、辐射均匀以及驻波比小于1.5等特性。随着天文探测的需要, 在国际上，众多具有影响力的射电望远镜项目相继展开，如SKA项目、FAST项目以及“天籁计划”等。馈源相位中心的计算和试验研究，在国内外有关专业期刊上，有不少论文。

什么是馈源相位中心？饋源的相位中心，看成是饋源辐射的球面波等相位面的曲率中心。通常还是用主平面的相位方向图，寻找等相位面得到的馈源相位中心，可是不同的极化面、不同频率得到的相位中心是不一样的，因此只能采用折中的方法，确定饋源安放位置。

“论天线饋源的相位中心”，章日荣，刘刚。《无线电通信技术》 1990年01期。这篇文章，提出相位中心的新概念，是指主极化面相位损失最小，给出计算的相位中心表示式，文中没有计算结果，也没有试验结果。

（http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WXDT199001001.htm）

反射面天线馈源相位中心的研究，.徐国华等，1990年，电子学报，18卷第4期。这篇文章是讨论的变形反射面天线馈源相位中心，不是局限于旋转抛物面，同时考虑到重量引起的变形等因素，变形后的曲面，用最小二乘法拟合，再计算相位效率，给出馈源相位中心的表达式，这篇文章给出一些计算结果，是针对8米口径卡氏天线，计算在仰天状态，考虑自重变形，没有考虑风载及其他因素，没有试验结果。

（https://www.doc88.com/p-1806017530352.html）

一种双频喇叭馈源相位中心分析.pdf，黎娜，《现代电子技术》，第35卷第7期，2012年4月。给出了计算结果，相位中心的位置和幅相方向图。没有试验结果。

(https://max.book118.com/html/2017/0725/124265540.shtm)。

“超宽带多极化跟踪天线及馈源的设计”，作者：饶玉如等，《现代雷达》，2017年5月，V0L.39，No.5，（ https://www.doc88.com/p-9032567746106.html）。

这篇文章指出： 随着空间技术的快速发展，对目标飞行器的跟踪与信息截获变得越来越重要。为了实现对目标飞行器的跟踪和信息截获，文中设计了一种超宽带、多极化、高增益的跟踪天线及馈源，采用基于印制板设计的对数周期天线作为单元，并使用八个单元组成圆环阵作为反射面天线的馈源，实现线极化比幅跟踪、左旋圆极化接收、右旋圆极化接收三种工作方式。仿真结果表明：单元天线驻波小于2的相对带宽达到147％，次级方向图的圆极化轴比小于4dB，交叉波束的交叉电平基本稳定在-3dB--8dB。对该跟踪天线进行加工，并进行天线系统测试，实际测试结果与仿真吻合很好。

不难看出，计算馈源相位中心都是计算远场幅相方向图，馈源相对于反射面是在近场，不是远场。所以计算的结果与实际情况不相符合，是一种近似。另外，发表的论文大都没有试验结果，就是有结果也是指天线部分，不是馈源本身的验证。怎么能够证明这些计算结果是正确的？！误差是多少？对于大型反射面天线而言，特别是对超宽频带，加上不同的极化形式和不同的极化面，相位中心的变化就比较复杂，也就是说寻求一个最佳的天线效率是很困难的事情，还要照顾其他指标。而大型天线效率测量，想通过调整馈源的位置也是很困难的。但这些问题在已发表的论文中根本没有讨论。

三．饋电系统的改进

作为高增益反射面天线，早先这类天线的频率范围大都为10%。后来扩展到一个倍频程。随着超宽带技术的发展，频率范围扩大到几个甚至几十倍频程。频率范围扩展也受到仪器设备的限制，过去无法实现超宽带扫频。对超宽带饋源的技术要求有不同的含义，这与天饋系统本身的用途有关，有些系统对饋源的要求包括：给定边缘照射电平对应的波束宽度；在工作带宽内，幅度方向图基本等化；相位中心稳定；交叉极化电平满足给定要求；电压驻波比小于1.5~2。通常对超宽带的要求，主要是指电压驻波比，因为相位中心要满足超宽带的要求很困难，因为相位方向图测量无法扫频，在超宽带范围内，要选择多少个点？分别测试相位方向图，再加上主平面两个方向图，这个工作量很大，如果饋源的相位中心不吻合，折衷选择时，调试困难。大型饋源的调整装置要做专门设计。单纯靠计算相位中心的位置与实測值很难吻合。

为了实现超宽带反射面天线性能要求，只好采用多个饋源。这样做减少对饋源带宽的要求，这就增加了整个天线系统的成本，给使用方带来困难。对于大型天线，更换饋源的难度增加，成本也增高。特别是在频率比较低的频段，饋源的饋电网络会涉及同轴和波导的区别，这就使系统更加复杂化。

伍洋所写的综述文章，列出的超宽带饋源有几种形式，非频变饋源、对数周期饋源、Eleven饋源、脊喇叭饋源、可重构的相控阵饋源、人工电磁材料馈源等。除此而外，笔者曾经看到波导同轴饋源、多层平面微带天线饋源，这类饋源的阻抗带宽很寬，驻波比小于2时,可达（1～40）GHz。这篇综述文章给出的参考文献只有50篇。略显不足、

另外，笔者早年曾经在电磁兼容（EMC）学科看见场强测量探头，方向图是全向的，阻抗带宽(1～40)GHz。这种天线实际上就是最基本的偶极子天线，这上面有电阻涂层，三个单元空间排列。如果将这种天线，组成一个阵列，形成一个定向的波束饋源，用来作为反射面天线的超宽带饋源。是否值得同行们研究？

还有一种超宽带天线，就是时域特性，最近出版的一本新书“超宽带电磁辐射技术”，2018年9月出版，国防工业出版社。这是俄罗斯三名学者写的一本著作，介绍的超宽带的天线，也是空间排列的偶极子天线，称作为矢量接收天线。笔者思考如何把这些超宽带天线综合起来加以改进，作为反射面天线的超宽带饋源。

四．天线系统的改进

FAST天线不能实现电扫描，天线太大，即使安装旋转机构，要天线旋转也是很困难的。能不能实现天线波束扫描？这是个大问题，如果能实现天线波束扫描，使用方肯定乐意。笔者从人眼构造思考，如果现在的反射面是球面，不进行调整，不需要改成拋物面，通过改变饋源，将饋源安装到现在的球面上，饋源形式选择宽频带平面微带天线，馈源相位中心贴合在球面上，在球面上方，放置变折射率透镜，让它旋转，从而实现波束的电扫描。

关于变折射率透镜的研制，是天线学科的研究热点，球体内放置什么材料能够实现变折射率，重量要尽量的轻。现在天线的移动方式，能否让球形变折射率透镜转动？这些问题需要进一步探讨，不是不可能，如果实现了，这将是世界上独有的扫描天线。希望同行们研究。

笔者对FAST天线先后写了两篇博客，其目的是想促进这个天线系统的改进，希望年轻的专家学者，能够打破以往的专业知识框架，更开阔的思考未来的天线型式。研制出中国人特有的大型天线型式！