【原】为何不见FAST天线电性能文章？

dushimingb9wbb 2019-10-20

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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.Hertz，1857—1894），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上。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。2016年9月21日建成，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度。

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70MHz～3000MHz，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的马丁·赖尔（Ryle）利用干涉的原理，发明了合成孔径射电望远镜。

天线与FAST是什么关系？

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米，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300米。FAST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。天线反射面是由4,450个三角形面板拼合而成，12米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。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。

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。