平方公里陣SKA(SquareKilometerArray)是計(jì)劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，致力于回答宇宙起源和星系演化等問(wèn)題。以低頻孔徑陣列天線(xiàn)試驗(yàn)陣為研究對(duì)象，對(duì)SKA高性能輕型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并詳細(xì)闡述，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡(jiǎn)便。

　　關(guān)鍵詞：平方公里陣；太陽(yáng)能；輻射振子

　　平方公里陣SKA(SquareKilometerArray)是計(jì)劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，致力于回答宇宙起源和星系演化等問(wèn)題，主要由拋物面天線(xiàn)、中頻孔徑陣列天線(xiàn)、低頻孔徑陣列天線(xiàn)組成［1~3］。其中,低頻孔徑陣列天線(xiàn)通常采用對(duì)數(shù)周期形式，不僅系統(tǒng)天線(xiàn)數(shù)量龐大，而且天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)尺寸較大，這些無(wú)疑會(huì)增加天線(xiàn)加工、裝配及運(yùn)輸成本。因此，如何在保證低頻孔徑天線(xiàn)電訊性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不受影響的前提下，盡可能減小其規(guī)模及尺寸已成為研究低頻孔徑陣列系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

　　1天線(xiàn)結(jié)構(gòu)形式

　　SKA低頻孔徑陣列天線(xiàn)單元是純金屬的雙極化回形振子對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，工作于低頻段。研究設(shè)計(jì)的天線(xiàn)由36個(gè)輻射振子、4根饋電桿、1根支撐桿和底座以及2個(gè)介質(zhì)支撐組成，其中支撐桿、底座、饋電桿和輻射桿均為金屬材料。因4根饋電桿之間需絕緣，介質(zhì)支撐需采用非金屬材料制成（見(jiàn)圖1）。圖1輻射振子單元及振子頂端饋電結(jié)構(gòu)布局饋電桿及輻射體回路中，每根饋電桿上從上到下依次連接不斷變大的9根輻射振子，形成1組輻射體（見(jiàn)圖2），9根輻射振子交錯(cuò)分布于饋電桿的兩邊，每根輻射振子的面均與饋電桿垂直，且9根輻射振子均在一個(gè)平面內(nèi)要求面精度≤0.5mm，4組完全一樣的輻射體圍著支撐桿呈90°分布，每組輻射體與支撐桿通過(guò)G10絕緣材質(zhì)支撐架固定，保證兩者之間夾角均為8°，誤差控制在±5′以?xún)?nèi)，支撐架安裝（見(jiàn)圖3）。輻射振子為開(kāi)口的矩形金屬環(huán)，開(kāi)口的兩端焊接在饋電桿上。為了保證天線(xiàn)試驗(yàn)陣的電訊性能，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的精度要求，使整個(gè)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、輕便、易于裝配，在比較了多種連接方式后，結(jié)合使用焊接、螺紋連接、鉚接的連接形式實(shí)現(xiàn)。

　　1.1輻射振子與饋電桿的焊接

　　每根天線(xiàn)振子由9根尺寸不斷變大的輻射振子焊接于一根饋電桿上。輻射振子由直徑分別為1.6mm、5mm、8mm的鋁棒折彎為矩形框。矩形框輻射振子的長(zhǎng)度尺寸最小為83.3mm，最大為777.7mm，寬度尺寸最小為30mm，最大為481.6mm。桿件之間的焊接面很小，要求焊接強(qiáng)度好、變形小、焊縫致密，有些構(gòu)件尚有氣密性的要求，這就需要采用特種焊接技術(shù)。

　　1.2支撐桿與介質(zhì)支撐的連接

　　考慮天線(xiàn)陣最終的天線(xiàn)單元數(shù)量可能以萬(wàn)為單位，無(wú)論是零部件加工、裝配、運(yùn)輸，還是次品率，都需要充分考慮。為簡(jiǎn)化裝配工藝，支撐桿主要采用螺紋連接方式，介質(zhì)支撐與主桿則為鉚接形式，既方便加工又易于運(yùn)輸及陣地組裝。

　　2天線(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

　　有限元分析模型的質(zhì)量直接影響計(jì)算分析工作的成敗。將實(shí)際的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)加以適當(dāng)簡(jiǎn)化，恰當(dāng)?shù)剡x擇單元類(lèi)型、劃分網(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)狀態(tài)合理確定邊界條件和節(jié)點(diǎn)載荷。這里簡(jiǎn)化為桿單元組成桁架系統(tǒng)。天線(xiàn)的網(wǎng)格劃分是將直徑較細(xì)的饋電桿做梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐郑�支撐桿與輻射振子，頂端模塊的絕緣柱均作殼單元?jiǎng)澐帧＞W(wǎng)格數(shù)量為54650個(gè)，分析了單天線(xiàn)的風(fēng)載荷作用下，系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變情況均滿(mǎn)足系統(tǒng)強(qiáng)度要求（見(jiàn)圖4）。

　　3SKA太陽(yáng)能電源系統(tǒng)框架

　　SKA天線(xiàn)供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組成。太陽(yáng)能電池組件白天接收太陽(yáng)光輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充放電控制器儲(chǔ)存到蓄電池中，蓄電池通過(guò)太陽(yáng)能控制器為天線(xiàn)負(fù)載提供直流12V電源（見(jiàn)圖5）。圖5天線(xiàn)振子供電系統(tǒng)框圖

　　3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　SKA項(xiàng)目中每只天線(xiàn)單元的功率為1W，工作時(shí)間為每天24h，288只天線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)基元。如果采用每個(gè)基元一套供電設(shè)備的形式，電源線(xiàn)引入對(duì)天線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾比較嚴(yán)重。考慮上述問(wèn)題，SKA分布式發(fā)電系統(tǒng)采用一對(duì)一供電形式，即每臺(tái)天線(xiàn)配有一套供電系統(tǒng)。光伏組件的固定板采用Q235鋼板折彎而成，安裝后組件與地面的距離為0.9m，安裝時(shí)先將固定板與抱箍用螺栓固定，再將組件置于固定板凹槽內(nèi)，最后將蓄電池支耳嵌入固定板下方的卡槽內(nèi)（見(jiàn)圖6）。抱箍與固定板不僅能固定光伏組件，還可以增強(qiáng)4個(gè)立柱間的穩(wěn)定性。

　　3.2電磁兼容設(shè)計(jì)

　　電源MOS管的快速開(kāi)斷會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射干擾，為避免這一現(xiàn)象，使用模擬電路搭建的太陽(yáng)能控制器解決以上問(wèn)題，滿(mǎn)足客戶(hù)需求。電池到天線(xiàn)之間的電纜埋藏在支架的一條撐腿內(nèi)，利用撐腿進(jìn)行屏蔽，減少電纜裸露的長(zhǎng)度（見(jiàn)表1）。

　　3.3關(guān)鍵技術(shù)

　　3.3.1沙漠晝夜溫差下對(duì)蓄電池壽命和容量的影響蓄電池正常運(yùn)行的溫度是20～40℃，最佳運(yùn)行溫度是25℃。當(dāng)溫度每升高5℃，蓄電池的使用壽命降低10%，且容易發(fā)生熱失控。澳大利亞珀斯首府屬于半沙漠地區(qū)，晝夜溫差較大，可能會(huì)導(dǎo)致蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)加快，電解液蒸發(fā)快，易損壞極板，同時(shí)易產(chǎn)生過(guò)充電現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了蓄電池的使用壽命［4］。結(jié)合澳大利亞珀斯首府地氣候的特點(diǎn)，由于珀斯年平均風(fēng)速為3.3m/s，沙塵流動(dòng)性較大，而光伏組件上0.004836Kg/m2的灰塵可使其能量轉(zhuǎn)換率降低40%［5］。如何安放蓄電池來(lái)減少環(huán)境對(duì)蓄電池壽命及容量的影響則是首要問(wèn)題。蓄電池地埋方式、發(fā)泡保溫箱儲(chǔ)存方式對(duì)整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)的功能影響都起到了至關(guān)重要的作用。通過(guò)設(shè)計(jì)光伏控制器的溫度補(bǔ)償功能，進(jìn)一步減少熱帶沙漠氣候?qū)π铍姵氐挠绊懀煌ㄟ^(guò)增加太陽(yáng)能電池組件的功率容量，減少由于沙塵覆蓋對(duì)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的影響，最大限度地保證了天線(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常工作。3.3.2光伏控制器電磁干擾對(duì)天線(xiàn)的影響目前，通用太陽(yáng)能控制器使用PWM信號(hào)快速地控制MOS管通斷，從而完成對(duì)蓄電池的充電管理。但MOS管的快速開(kāi)斷會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射干擾，對(duì)天線(xiàn)信號(hào)影響較大。針對(duì)上述情況，重新對(duì)太陽(yáng)能控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用模擬電路完成控制器的基本功能，避免使用數(shù)字電路。這樣可以避免MOS管的高頻開(kāi)關(guān)和MCU工作時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　以低頻孔徑陣列天線(xiàn)試驗(yàn)陣為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)平方公里陣高性能輕型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝研究，天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)形式緊湊、裝配簡(jiǎn)便，為國(guó)內(nèi)進(jìn)行先導(dǎo)天線(xiàn)、相位陣饋源等SKA關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)提供了有效的參照。

　　參考文獻(xiàn)：

　　［1］師民祥,白云鶴,劉國(guó)璽,等.SKA射電望遠(yuǎn)鏡天線(xiàn)結(jié)構(gòu)建模與系統(tǒng)仿真分析［J］.無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù),2019,45(4):431-436.

　　［2］劉宏,宋建波,王文俊.大射電望遠(yuǎn)鏡FAST［J］.中國(guó)科學(xué)G輯,2005,35(5):446-449.

　　［3］周豪.應(yīng)用于SKA的射頻前端與陣列布局研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2019.

　　［4］LeandroFiorin,ErikVermij,JanvanLunteren,etal.ExploringtheDesignSpaceofanEnergy-EfficientAcceleratorfortheSKA1-LowCentralSignalProcessor［J］.InternationalJournalofParallelProgramming,2016,44(5).

　　［5］R.Stepanov,T.G.Arshakian,R.Beck,etal.MagneticfieldstructuresofgalaxiesderivedfromanalysisofFaradayrotationmeasures,andperspectivesfortheSKA［J］.Astronomy&Astrophysics,2008,48(1).

　　作者：李楊 金小飛 王興