FAST多波束单元布局及正交模耦合器改进设计
于京龙1,2, 刘鸿飞1,2, 甘恒谦1, 曹洋1    
1. 中国科学院 国家天文台, 北京 100101;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要:500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)作为一个多学科基础研究平台,涵盖丰富的天文学内容。在L波段配置的19波束接收机主要用于大天区巡天和脉冲星搜寻,该接收机在发现新脉冲星和快速射电暴研究方面发挥了重要作用。该文在回顾多波束馈源前端的设计和研制历程的基础上,对多波束馈源系统单元布局及正交模耦合器进行了改进设计,给出了相应的实现方式和测试结果,可为大口径天线馈源系统设计和升级改造提供设计和技术参考。
关键词多波束天线    馈源    正交模耦合器    射电望远镜    
Improved multi-beam unit layout and orthomode transducers for FAST
YU Jinglong1,2, LIU Hongfei1,2, GAN Hengqian1, CAO Yang1    
1. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope (FAST) is a multi-disciplinary basic research platform that is used for a wide range of astronomy research. The L band 19 beam receiver is mainly used for large sky surveys and pulsar searches. The receiver plays an important role in the discovery of new pulsars and the study of fast radio burst (FRB). The design of the multi-beam feed front-end was analyzed to improve the multi-beam feed system layout and the orthogonal mode coupler. This paper describes the improvements and the corresponding test results. These design methods provide design and technical guidelines for the design and upgrading of large aperture antenna feed systems.
Key words: multi-beam antenna    feed    orthomode transducer    radio telescope    

多波束馈源系统或焦面阵技术已经日益广泛地应用于现代射电望远镜。它充分利用同一射电望远镜反射面所能提供的信息,在观测比射电望远镜方向瓣大得多的展源时,可使观测速度和效率提高数倍乃至数十倍;当大气层或电离层的起伏或不均匀影响观测成像质量时,该技术可消除这种影响,提高观测质量;利用多波束馈源系统各单个馈源接收到的信息的互相关,可实时监控射电望远镜的反射面、二次反射面和指向精度,从而降低地面上大射电望远镜或空间射电望远镜的精度要求和造价[1]。500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)是世界上最大的单口径射电望远镜,作为一个多学科基础的研究平台,涵盖丰富的天文学内容[2]。迄今为止,已发现500余颗新的脉冲星,并在快速射电暴等方面有了新的进展[3-4]。目前FAST馈源舱平台正在观测使用中的是2个频段馈源,分别是L波段1.05~1.45 GHz的19波束馈源和300~600 MHz单波束馈源[5],近期正在安装500 M~3.3 GHz超宽带馈源。其中,核心频段L波段配置的19波束接收机主要用于大天区巡天和脉冲星搜寻[6-7]。本文针对19波束馈源系统单元布局及正交模耦合器方面进行相应的改进设计,以期对未来大口径天线馈源系统设计和升级改造提供设计和技术参考。

1 概述

多波束馈源或焦面阵在抛物面天线上的运用始于20世纪60年代末;在20世纪70年代被大量引入射电望远镜,开始主要用于方向束开关方法以消除高空大气层、电离层的影响,提高射电望远镜观测和成像的精度;20世纪70年代后期随着毫米波射电望远镜的发展和对分子云观测的扩展和深入,多波束馈源系统越来越多地应用于毫米波射电望远镜,以大大加快单镜面毫米波射电望远镜对分子云这样的展源进行成像观测。正是由于此项技术的特点和发展历史, 加之多波束馈源自身和相关系统的高昂造价,至今多波束馈源仍主要配置在毫米波射电望远镜和射电望远镜最重要的厘米波段(L波段)[1],目前还没有广泛配置在后者的全部波段。

L波段作为射电天文观测的一个重要波段,覆盖了宇宙中性氢、脉冲星和活动星系核等重要的观测目标。FAST在核心的L波段配备一个多波束馈源阵列,最初的设计方案参考澳大利亚Parkes 13波束接收机的技术路径,采用同轴喇叭馈源和探针-波导直接耦合的正交模耦合器(orthmode transducers,OMT),频率覆盖1.23~1.53 GHz。通过对FAST偏焦馈源远场方向图的分析,将波束数目扩大到19个,与13波束相比,可将巡天效率提高约1.5倍,19个波束单元在望远镜焦面上按正六边形方式分布。

L波段多波束馈源接收机涵盖了FAST重要的观测目标——中性氢和脉冲星巡天。随着研究工作的深入,频率覆盖进一步优化为1.05~1.45 GHz,正交模耦合器和馈源的设计方案也有了相应的调整。

2 正交模耦合器

射电天文望远镜多波束馈源通常需要OMT来接收2个极化方向的信号。目前在L波段馈电的OMT有探针与圆波导直接耦合、四探针和四脊片等方式。受FAST馈源舱整体重量的限制,多波束馈源系统总重量不超过1.2 t为宜。

2.1 探针与圆波导直接耦合

探针与圆波导直接耦合方式结构紧凑、简单、轻便,但带宽相对较窄,如澳大利亚Parkes64 m望远镜的13波束接收机频率范围为1.27~1.57 MHz,OMT覆盖带宽300 MHz[8]。FAST多波束最初的设计方案就参考了13波束馈源系统,并对此进行了仿真和加工设计,加工成品如图 1所示。这种OMT 2个探针呈正交结构,分别从波导上部和下部馈入波导起到耦合效应,与上部探针平行的短路板厚度为2 mm,位于2个探针之间,起到优化隔离度的作用。最终的测试和仿真结果如图 2所示,两者的符合度较好,上部探针在1.18~1.52 GHz频段范围内2个极化方向的反射损耗大于19 dB;下部探针在低频区间略差,大于15 dB;隔离度大于30 dB。测试结果表明:在300 MHz带宽内,这种方式满足多波束馈源的设计要求。

图 1 探针与圆波导直接耦合OMT

图 2 探针与圆波导直接耦合OMT仿真和测试结果

随着设计的深入,不断优化科学需求,多波束频段范围更改为1.05~1.45 GHz,超过了探针与圆波导直接耦合方式的带宽设计,这样就引入了四探针结构和四脊片结构的设计方案。

四探针OMT采用两组平行的探针与圆波导直接耦合,其带宽可与四脊片OMT相比拟,形式结构简单,是多波束馈源系统OMT的一个可选方案。这种设计方法先后被用于L波段和C波段的OMT设计,并进行了相关测试,采用的探针形式为片状[9-10]。根据上述方法进行仿真优化后加工的四探针OMT实物,如图 3所示,探针采用带有45°渐变结构的圆柱形探针,并与180°电桥连接进行测试,仿真和测试结果如图 4所示。

图 3 四探针OMT加工实物

图 4 四探针OMT仿真和测试结果

结果表明:在1.05~1.45 GHz范围,2个极化方向的反射损耗都大于20 dB,同仿真结果符合度比较好,隔离度均大于30 dB,符合设计要求。

这种OMT是由2组探针处于同一个平面的位置,分别呈180°馈入圆波导内部,需要额外的180°电桥来差分合成输出信号。由于额外电桥的存在,如果是在低噪声放大器之前,其插入损耗引入的噪声水平会影响接收机的灵敏度,对于L波段射电天文观测来说往往是难以接受的;如果将低噪声放大器位于探针的输出位置,置于电桥之前,那么需要低噪声放大器具有相当高的一致性,同时数量上会翻倍,增加前端的造价,而且在制冷杜瓦里面放置如此多的低噪声放大器,也会使冷头的热负荷成倍增加。

2.2 四脊片OMT

四脊片结构的OMT采用探针到加脊波导逐步过渡的设计方法,带宽较宽[11-12]。但其长度和重量相对于上述2种来说都比较大,杜瓦的结构和尺寸相应也会变大,通常在单波束馈源上使用较多,比如FAST的L和S波段[13]、上海65 m天马望远镜L波段[14],上述2个望远镜天线L波段四脊片OMT的长度均在800~900 mm。在2009年的FAST项目建议书中,L波段建议采用的就是这种OMT,并给出了仿真结果。当时多波束馈源频段范围还未扩展,建议书中仍然参考Parkes13波束馈源的方案。

在多波束馈源系统研制的过程中,考虑到澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO)在Parkes 64 m望远镜上13波束馈源系统中的研制和应用经验,与其签订了合作研制多波束馈源系统的协议。

澳方初始设计考虑阶梯状四脊片OMT,但初步设计完成的加工成品测试结果没有达到指标要求,后来采用拟合曲线进行脊片的设计,整体长度控制在354.1 mm,仿真结果比较理想,加工完成的测试样件如图 5所示,仿真和测试结果如图 6所示。

图 5 19波束馈源四脊片OMT

图 6 19波束馈源四脊片OMT仿真和测试结果

仿真和测试结果表明:在1.05~1.45 GHz设计频段范围内,该正交模耦合器反射损耗几乎所有频点均大于20 dB,其中有一个极化方向在1.4~1.45 GHz的反射损耗大于19.5 dB;2个极化方向的隔离度均大于40 dB;插入损耗小于0.16 dB(包括真空窗和隔热间隙在内)。

上述设计充分考虑了带宽和整体重量之间的平衡,最终19个正交模耦合器安装在杜瓦内部之后的多波束馈源系统总重量接近1 t,没有超过设计要求。

2.3 四脊片OMT的改进设计

19波束馈源系统目前在FAST正常运行和观测中发挥着核心作用,但对于整个L波段来说,仅覆盖了1.05~1.45 GHz的较低频率范围,与国内和国际上大多数望远镜相比,既无法覆盖羟基(OH)谱线,也没有足够的频段与其他望远镜一起组网进行VLBI(very long baseline interferometry)观测。对于FAST而言,并未发挥出其优势和潜力。因此,本文提出改进该频段OMT和馈源系统设计,进行合理布局,提升多波束系统的巡天效率,最大限度地覆盖L波段的主要科学目标,如中性氢(HI)、羟基(—OH)、脉冲星巡天和VLBI观测等。

根据上述需求,如果尽量覆盖L波段主要的科学目标,OMT和馈源的频段范围至少应为1.2~1.7 GHz,相对带宽为34.48%。现有的19波束系统OMT频段范围为1.05~1.45 GHz,相对带宽为32%,需要进行相应的改进设计,具体设计指标如表 1所示。

表 1 正交模耦合器优化设计指标
项目 设计指标 19波束OMT
频率范围/GHz 1.2~1.8 1.05~1.45
反射损耗/dB ≥20 ≥20
隔离度/dB >30 ≥30
插入损耗/dB ≤0.16 ≤0.16
长度/mm <450 354.1

在对四脊片OMT不同设计方案进行比较和仿真研究的基础上,选择底部带有三角反射腔的直筒型OMT作为改进方案,脊波导到圆波导的过渡曲线采用正弦平方曲线,表示如下:

$y=\frac{w}{2}+\left(R-\frac{w}{2}\right) \times \sin ^n\left(\frac{z}{L} \times \frac{{\rm{ \mathsf{ π}}}}{2}\right) .$ (1)

其中:w为相对2个脊片的间距;R为OMT波导的内径;正弦指数n=2;L为不包含反射腔的波导段长度;z为0~L的变量;脊片厚度在本次设计中为15 mm。反射腔夹角是优化项之一,同时对探针的位置和结构也进行了优化,仿真的结构模型如图 7所示,改进设计后的加工成品如图 8所示,仿真结果和测试结果的比较如图 9所示。

图 7 改进设计的四脊片OMT仿真结构模型

图 8 改进设计的四脊片OMT

图 9 改进设计的四脊片OMT仿真和测试结果

测试结果表明:在L波段1.17~1.83 GHz频段范围内都可以达到20 dB以上的反射损耗,隔离度大于33 dB,插入损耗小于0.16 dB。OMT整体长度约430 mm,为现有L波段设计方案的一半左右,尺寸大为缩短,实现了设计意图。2个探针的响应在1.4 GHz之后差别较大,存在进一步优化的可能。

3 馈源系统单元布局 3.1 馈源单元

对于多波束接收机来说,每个波束单元均是一个性能良好的馈源,各单元相互独立,馈源单元的设计既要考虑反射面有效照明所需的边缘锥度,也要满足相邻馈源单元在天空中形成的望远镜波束为2倍的半功率波束宽度这一要求。

19波束系统单元喇叭,将TE11模式圆形阶梯设计为一级阶梯喇叭,喇叭孔周围使用扼流圈减少单元间相互耦合的影响,同时也可以改善远场方向图的对称性并降低交叉极化。为了获得望远镜最佳增益噪声温度比(G/T),望远镜反射面边缘的入射场电平应该比顶点的入射场电平低12 dB,相应馈源归一化表示的照明方向图中的边缘照明电平应该为12 dB。馈源电气性能的设计依据是FAST照明半张角为56.4°,焦径比为0.466。最终优化设计的馈源几何尺寸如图 10a所示[15]

图 10 馈源单元几何尺寸比较(单位:mm)

FAST在调试运行之后,焦径比有所改变,目前执行的焦径比为0.461 1,馈源单元照明半张角为56.93°。结合OMT改进设计的结果以及频率和焦径比的变化,重新设计的馈源尺寸如图 10b所示。相较于原来的较低频段,输入波导的直径因为频率升高而有所减小,馈源口面最大直径为238 mm。

3.2 系统单元布局设计

一方面,多波束接收机将多个馈源同时置于反射面天线的焦平面位置,通过馈源的偏焦作用实现多个波束的同时观测,在观测同一片天区时中心波束同边缘波束存在增益和波束效率的差异。另一方面,射电望远镜的巡天速度与观测的波束数量成正比,改进多波束阵列单元布局,有效增加波束数量,可进一步提升FAST的综合性能。

基于上述考虑,在波束数量和整体布局方面进行改进设计,可以为今后的设计工作提供参照。布局改进设计指标如表 2所示。

表 2 多波束阵列单元布局设计指标
参数 设计指标 19波束指标
频率范围/GHz 1.2~1.7 1.05~1.45
单元数量 31 19
极化方式 双线极化 双线极化
边缘照明/dB -12 -12
增益变化/dB ≤1.5 <1
口径效率/% >52 >55

FAST多波束馈源系统目前波束数量为19个,馈源阵列呈正六边形排列,如图 11中蓝色正六边形内部所示排布。

图 11 FAST多波束馈源阵列优化布局

正六边形排列可以提供最高密度的单元封装,使19个单元最大限度地排列紧密。增加的馈源单元沿着正六边形的6个边排列(图 11中红色圆圈),以最大程度缩短同中心波束的距离,降低偏焦带来的增益下降和对波束效率的影响。因为整个阵列布局是中心对称分布,所以考察图中第一象限7个波束的增益和效率数值,即可得到这种布局下各个波束相对于中心波束增益和效率的变化。

应用GRASP仿真分析软件对多波束阵列单元布局进行分析,馈源边缘照明-12 dB,反射面焦径比0.461 1,波束单元间距240 mm,小于19波束270 mm的间距。不同频率和相应波束的增益变化如表 3所示,望远镜效率数值的比较如图 12所示。

表 3 多波束阵列单元波束增益变化
波束编号 相对中心波束增益变化/dB
1.2 GHz 1.42 GHz 1.5 GHz 1.6 GHz 1.7 GHz
1 0 0 0 0 0
2 -0.11 -0.15 -0.17 -0.19 -0.21
3—4 -0.43 -0.60 -0.67 -0.76 -0.85
5—7 -0.76 -1.06 -1.17 -1.34 -1.5

图 12 波束单元1—7的口径效率

表 3中各个波束相对中心波束增益下降的对比可知,当波束数目增加到31个,并按照图 12在布局排列,在1.2~1.7 GHz工作频率范围时,最外圈编号为5—7的波束增益优于1.5 dB,初步实现设计目标。

图 12展示了各个波束在不同频点下的口径效率。仿真分析表明,最外侧波束口径效率在偏焦模式下相对于中心波束下降明显,在这种布局情况下只能达到54.3 %的口径效率,尚能满足设计要求。

4 结论

相对于同为焦面阵技术的相位阵馈源来说,多波束馈源有技术成熟、造价相对经济等优势。本文对现有19波束馈源系统工作频率范围进行了拓展,进一步丰富了科学目标;对多波束馈源系统单元布局进行了改进设计,有利于改善波束扫描效率,发挥FAST巨大接收面积的潜力和优势。相关的设计原则和思路可以为未来技术升级改装提供借鉴。

参考文献
[1]
吴胜殷, 南仁东. 射电天文中焦面阵或多波束馈源的应用[J]. 天文学进展, 2011, 19(4): 421-435.
WU S Y, NAN R D. Applications of the focus plane array or the multi-beam feed system in radio astronomy[J]. Progress in Astronomy, 2011, 19(4): 421-435. (in Chinese)
[2]
NAN R D. Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope (FAST)[J]. Science in China Series G: Physics, Mechanics & Astronomy, 2006, 49(2): 129-148.
[3]
QIAN L, NULL N, PAN Z C, et al. The first pulsar discovered by FAST[J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2019, 62(5): 959508.
[4]
ZHU W W, LI D, LUO R, et al. A fast radio burst discovered in FAST drift scan survey[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 895(1): L6. DOI:10.3847/2041-8213/ab8e46
[5]
YU J L, YUE Y L, LI J B. Design and optimization of cross bow-tie dipole feed with cavity for FAST[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020, 20(5): 70. DOI:10.1088/1674-4527/20/5/70
[6]
南仁东, 李会贤. FAST的进展: 科学、技术与设备[J]. 中国科学: 物理学、力学、天文学, 2014, 44(10): 1063-1074.
NAN R D, LI H X. Progress of FAST in science, technique and instrument[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica, 2014, 44(10): 1063-1074. (in Chinese)
[7]
JIANG P, TANG N Y, HOU L G, et al. The fundamental performance of FAST with 19-beam receiver at L band[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020, 20(5): 64. DOI:10.1088/1674-4527/20/5/64
[8]
STAVELEY-SMITH L, WILSON W E, BIRD T S, et al. The Parkes 21cm multi-beam receiver[J]. Publications of the Astronomical Society of Australia, 1996, 13(3): 243-248. DOI:10.1017/S1323358000020919
[9]
ENGARGIOLA G, PLAMBECK R L. Tests of a planar L band orthomode transducer in circular waveguide[J]. Review of Scientific Instruments, 2003, 74(3): 1380-1382. DOI:10.1063/1.1535741
[10]
GRIMES P K, KING O G, YASSIN G, et al. Compact broadband planar orthomode transducer[J]. Electronics Letters, 2007, 43(21): 1146-1148. DOI:10.1049/el:20071649
[11]
SKINNER S J, JAMES G L. Wide-band orthomode transducers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1991, 39(2): 294-300. DOI:10.1109/22.102973
[12]
YU J L, JIN C J, CAO Y, et al. Broad-band orthomode transducers[C]//Proceedings of 2008 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology. Nanjing, China: IEEE, 2008: 320-322.
[13]
FAN J, ZHU K, GAN H Q, et al. Development of wideband orthomode transducers for FAST cryogenic receiver system[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020, 20(5): 71. DOI:10.1088/1674-4527/20/5/71
[14]
ZHONG W Y, LI B, FAN Q Y, et al. L band orthomode transducer for Shanghai 65m radio telescope[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Microwave Technology & Computational Electromagnetics. Beijing, China: IEEE, 2011: 164-166.
[15]
SMITH S L, DUNNING A, SMART K W, et al. Performance validation of the 19-element multibeam feed for the five-hundred-meter aperture spherical radio telescope[C]//Proceedings of 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting. San Diego, USA: IEEE, 2017: 2137-2138.