王 凱，陳卯蒸，馬 軍，寧云煒，曹 亮，閆 浩，李 健，段雪峰，項斌斌

(1.中國科學院 新疆天文臺，烏魯木齊 830011；2.中國科學院 射電天文重點實驗室，南京 210033；3.新疆微波技術重點實驗室，烏魯木齊 830011)

1 引言

射電望遠鏡可以利用其高靈敏度及分辨率對微弱的射電源進行觀測，但由于望遠鏡的波束寬度有限，在相應天區(qū)形成的波束立體角非常小，對于需要開展大范圍的巡天觀測仍需要花費較多時間。改善上述情況最佳的方式就是增加望遠鏡的視場[1]。對于傳統(tǒng)單波束接收機來說(如圖1 所示)，射電望遠鏡的視場Fov表示為：

圖1 射電望遠鏡的視場

其中，θAz為水平方向上半功率波束寬度，θEl為垂直方向上半功率波束寬度，Ω為射電望遠鏡的波束立體角。

假設一次巡天觀測需完成對立體角為Ωtol的掃描觀測，完成該區(qū)域的掃描所需要花費總的時間ttol可表示為[2]：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為一次觀測的積分時間，B為觀測帶寬，Ae為射電望遠鏡的有效面積，Tsys為系統(tǒng)的噪聲溫度。

對于傳統(tǒng)單波束接收機來說，整個望遠鏡系統(tǒng)的巡天速度Ss表示為[3]：

一個簡便的增加射電望遠鏡視場的方法，是在現(xiàn)有的反射鏡望遠鏡的焦平面上放置多個饋源，組成焦平面陣列，即多波束技術[4]。這種方法現(xiàn)已廣泛應用于射電天文接收機系統(tǒng)中，其工作頻段可達亞毫米波段。那么，對于具有N個相同波束的多波束接收機來說，整個望遠鏡系統(tǒng)的巡天速度可表示為：

從公式(4)可以看出，對于具備多波束接收機的射電望遠鏡來說，其巡天速度與觀測的波束數(shù)量成正比，因此，采取多波束技術是提高射電望遠鏡巡天速度最有效的方法。

2 多波束接收機

與傳統(tǒng)單波束相比，多波束接收機可以實現(xiàn)焦面場上多個陣列接收機同時工作[5]。根據系統(tǒng)組成不同，多波束接收機包含焦平面陣列饋源和相控陣列饋源兩種形式。

2.1 焦平面陣列

焦平面陣列饋源的概念最早起源于光學和紅外波段上使用的功率探測器以及輻射計應用，包括衛(wèi)星地面站所使用的雙饋源或者4 饋源系統(tǒng)。1975 年，Condon 首次在美國Arecibo球面望遠鏡上探索使用多波束接收機。1983 年，荷蘭的Arnold van Ardenne 開始了多波束毫米波接收機的研究工作。1987 年，美國國家射電天文臺(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)開始研制5.85 GHz 的7 波束接收機，并安裝于Green Bank 300 ft 天線上開展測試，之后將其運至澳大利亞Parkes 64 m 天線上進行巡天測試。1987 年，Arnold van Ardenne 開始為麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)研制350 GHz陣列接收機。1988 年，NRAO 研制的基于肖特基混頻器的8 波束230 GHz 接收機問世。上述發(fā)展歷程只能作為多波束接收機的樣機研制階段，1997 年初，澳大利亞Parkes 64 m 射電望遠鏡成功安裝了13 波束接收機(21 cm 波段)[6]，這才是世界范圍內真正意義上的第一臺實用型多波束接收機，主要用于開展HI 及脈沖星巡天觀測，13 波束接收機如圖2 所示。2005 年，一個同樣版本的13 波束L 波段接收機被安裝于Arecibo 望遠鏡上。隨后，德國Effelsberg 及美國綠岸射電望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT)都相繼裝備了多波束接收機。

圖2 澳大利亞Parkes 13 波束接收機

國內方面，中國科學院紫金山天文臺在德林哈13.7 m 射電望遠鏡上裝備的9 波束接收機是國內第一臺自研的多波束接收機系統(tǒng)[7]，其工作頻率為85～115 GHz，主要用于分子譜線觀測，見圖3 a)。中國科學院國家天文臺(簡稱國家臺)的500 m 口徑球面射電望遠鏡(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，目前已成功安裝澳大利亞研制的19 波束L 波段接收機[8]，該接收機具備19 波束雙極化輸出，工作頻率為1 050～1 450 MHz，采用喇叭饋源設計，饋源后級連接正交模耦合器及HEMT 低噪聲放大器(工作在20 K 低溫環(huán)境)，如圖3 b)所示。中國科學院上海天文臺(簡稱上海臺)天馬65 m 望遠鏡已裝配3 臺雙波束接收機，分別為K,Ka,Q 波段接收機，目前正在研制7 波束K 波段接收機。

圖3 德令哈13.7 m 天線9 波束與FAST 19 波束接收機

對于多波束接收機來說，每個波束單元均是一個性能良好的饋源，各單元相互獨立，使用該技術可以大幅提高巡天觀測效率。但由于良好的波束照明需要足夠直徑的饋源，而相鄰饋源間由于其物理尺寸限制，每個饋源經望遠鏡形成的波束在天區(qū)上被分開，從而使得視場不夠連續(xù)，不能形成連續(xù)的天區(qū)覆蓋[9]。

2.2 相控陣饋源

相控陣饋源(phased array feed,PAF)是近些年一項熱門的接收機技術，它是利用反射面望遠鏡結合波束合成技術在天空形成多個連續(xù)波束的新的焦平面陣列。PAF 一般在射電望遠鏡的焦平面上以矩形、六邊形等方式排布電小天線單元陣列，通過波束合成對各個陣元施加不同的激勵，調控各個陣元的幅度與相位，實際就是焦平面上一個小型的相控陣天線。天線的相位中心緊密相鄰，波束相互重疊，從而能夠對焦平面區(qū)域進行完全采樣，提供連續(xù)視場以提高巡天效率，解決了傳統(tǒng)多波束接收機因饋源相互分立而不能實現(xiàn)真正意義上的連續(xù)大視場的問題[10]。

對于射電望遠鏡PAF 接收機系統(tǒng)來說，波束合成作為一項關鍵技術將會直接影響整個PAF 系統(tǒng)的靈敏度、系統(tǒng)噪聲及觀測效率。對于一個PAF 接收機來說，假設接收的信號為一個平面波，每個陣元天線的信號輸出z(t)可以定義為：

其中，s(t)表示為在中心頻率為Ω0的一個帶通信號，a(θ)為方向向量，其取決于Ω0和方向仰角θ，sb(t)為基帶包絡。

對于具有M個陣元的多路信號而言，z(t)可以表示為：

波束合成就是通過賦權調整合成波束中各個陣元的輸出以調控s(t)[11]，表示為：

其中，波束合成權向量為w=[w1,...,wM]T，陣列中第i個陣元在整個合成波束中被賦權的權值wi表示為：

其中，τ為時間延遲。

從PAF 發(fā)展歷程來說，早在1982 年NRAO 技術討論會上，Weinreb 就首次提出使用PAF 進行天線面型修正。1988 年，Cornwell 和Napier 出版了焦平面相干理論，以糾正像差、畸變等，并提出PAF 可以放置在焦平面上以用作小型相控陣。1993 年，澳大利亞Parkes 64 m 天線考慮過PAF 設計方案，但又被Trevor Bird 和GeoffPoulton 提出的多饋源機載衛(wèi)星所用的多波束方案所代替。1995 年，在NRAO 召開的射電望遠鏡多饋源系統(tǒng)會議上，Rick Fisher 提出PAF 陣元設計。2004 年，為開展平方公里陣(square kilometre array,SKA)巡天，SKA 歐洲委員會提議使用PAF 進行觀測。2006 年，澳大利亞提議為ASKAP使用PAF 接收機[12]。圖4 為SKA 部分參與機構攜其PAF 樣機齊聚澳大利亞。

圖4 SKA 部分參與機構設計的PAF 樣機

3 相控陣饋源接收機發(fā)展現(xiàn)狀

雖然相控陣饋源技術已廣泛應用于衛(wèi)星、通信等領域，但由于射電天文的應用背景和需求與上述領域存在明顯差異，將其應用于射電天文觀測還需要開展大量實踐工作。為此，國際射電天文界一直都在進行相控陣饋源技術相關的理論和實踐研究。國外開展PAF 相關工作的國家主要有美國、荷蘭、加拿大和澳大利亞。在國內，上海臺為天馬65 m 望遠鏡已開展PAF 相關的研究工作，國家臺FAST 技術團隊及國內相關科研院所已開展L 波段相控陣饋源的研發(fā)，國內SKA 團隊也在積極參與SKA 相控陣饋源工作包，主要用于開展SKA 射頻前端的預先研究。

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 美國

20 世紀90 年代末，美國即開始PAF 的研發(fā)工作。1996 年，美國NRAO 的一個研究團隊設計了一款概念驗證式全采樣PAF 接收機，該接收機由19 個正弦天線單元組成，以0.7倍波長的陣元間距六邊形排布，工作頻率在1.4 GHz[13]。2000 年，該PAF 的第一版常溫樣機研制完成，并在綠岸(Green Bank,GB)的43 m 天線上進行波束合成和望遠鏡校準方法測試，如圖5 所示。

圖5 NRAO 安裝于43 m 天線上的第一版PAF 樣機

NRAO 的研究重點是針對大型單面板射電望遠鏡(GBT)開展制冷PAF 研制。與非制冷PAF 相比，制冷PAF 具備更高的靈敏度和更低的系統(tǒng)噪聲溫度。在上述第一版19 陣子常溫PAF 樣機的基礎上，NRAO 和楊百翰大學(Brigham Young University,BYU)開展合作，一直在不斷進行19 陣子制冷PAF 設計工作。如圖6 所示，從左至右分別為2007 年薄偶極子(dipoles)PAF 樣機[14]、2010 年阻抗優(yōu)化的厚偶極子PAF 樣機[15]、2015 年使用SiGe低噪聲放大器的雙極化偶極子GBT 1 版PAF 樣機[16]，以及2016 年由BYU 最終優(yōu)化后的、采用制冷低噪放的雙極化偶極子GBT 2 版PAF 實用型接收機[17]。

圖6 NRAO 四版19 陣元PAF

2016 年最終采用的雙極化偶極子的PAF 接收機也被稱為GBT 焦平面陣列(focal Lband array for GBT,FLAG)，主要包括PAF 前端、光傳系統(tǒng)以及數(shù)字終端。其中PAF 前端系統(tǒng)主要包括前端-模擬子系統(tǒng)、PAF 陣列和LNA 等；光傳系統(tǒng)主要由數(shù)字化儀，光纖鏈路，多相濾波器組(頻率、通道)組成；數(shù)字終端主要用于實現(xiàn)相關、波束合成、數(shù)據格式規(guī)范，以及磁盤存儲功能。

從FLAG 陣元設計上來說，雖然上述4 版PAF 樣機的陣子均采用偶極子天線設計，但前后就有7 個設計版本，足以見證PAF 從概念設計到投入實踐應用所經歷的漫長過程。如圖7 所示，F(xiàn)LAG 陣子從最早的單極化到雙極化，從細瓣到粗瓣(有助于表面電流傳導)，從單獨陣子到陣子與LNA 結合設計(以此縮減傳輸鏈路以減小損耗)，最終還需考慮LNA 制冷及相應的隔熱設計。

圖7 FLAG 多版陣子優(yōu)化設計

楊百翰大學在實驗室自行搭建的小型暗室(見圖8)，用以開展獨立陣子的天線性能測試。可以看到GBT 2 版陣子在內側頂端，其余位置為吸波材料。以此，可以在實驗室內開展陣子的S 參數(shù)測量。

圖8 GBT 2 版陣子S 參數(shù)測量環(huán)境

FLAG 采用的雙極化偶極子結合低噪聲放大器設計(見圖9)，最終輸出兩路放大后的信號。這種結構設計的優(yōu)點在于，縮減了陣子與低噪放之間的鏈路損耗，而且方便進行制冷設計，最終測試結果顯示低噪放增益在帶內可以達到35 dB 以上，噪聲溫度低于6 K[18,19]。

圖9 LNA 電路及其與陣子集成設計

FLAG 的終端開發(fā)主要由NRAO 協(xié)同BYU 與西弗吉尼亞大學合作開發(fā)，該終端設備開發(fā)是基于混合現(xiàn)場可編程門陣列和圖形處理單元技術的寬帶實時信號處理后端。圖10 給出相關器和波束合成器所組成的FLAG 數(shù)字終端。

圖10 FLAG 數(shù)字終端系統(tǒng)

FLAG 采用陣元復用方式，在19 個陣子中由7 個相鄰陣子合成1 個波束。FLAG 采用最大信噪比波束合成方式，在1 404 MHz 觀測3C295 瞬時形成的7 個合成波束方向圖(見圖11 a))，圖11 b)為整個視場范圍內的FLAG 靈敏度觀測結果，右側單位為m2·K?1。

圖11 FLAG 波束合成方向圖及靈敏度

3.1.2 荷蘭

SKA 是由全球20 個國家67 個科研機構的天文學家和工程師參與建設的、世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡項目。SKA 擬建設低頻孔徑陣列、中頻孔徑陣列和中頻反射面天線陣列三種接收天線陣列，接收面積達到1×106m2量級，頻率覆蓋70 MHz～20 GHz。自1993 年SKA 被提出，SKA 參與國及其研究機構在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術研發(fā)等方面均開展了大量的工作。根據規(guī)劃，每臺SKA 反射面天線將配備5 個單波束饋源以獲得高的單波束靈敏度，或3 個相控陣饋源以獲得大視場觀測能力，從而使SKA 在靈敏度和巡天效率方面比現(xiàn)有射電望遠鏡大幅提高[20]。可以說SKA 項目是相控陣饋源接收機在射電天文領域應用的重要推手[21]。

2002 年，在SKA 射電天文歐洲委員會項目的合作伙伴專注于多波束技術時，荷蘭作為SKA 成員國之一，其荷蘭射電天文研究所(Netherlands Institute for Radio Astronomy,ASTRON)則已經開始研發(fā)更具挑戰(zhàn)性的致密相控陣饋源接收機。ASTRON 為射電天文焦平面陣列(focal-plane arrays for radio astronomy:design,access and yield,FARADAY)項目設計的第一款PAF 樣機[22]，工作帶寬為2～5 GHz，由112 個Vivaldi 天線單元組成，13個陣元可以通過模擬波束合成器合成一個波束，并在韋斯特堡綜合射電望遠鏡(Westerbork synthesis radio telescope,WSRT)上得到了驗證。但由于FARADAY 設計中使用了常溫低噪聲放大器(非制冷)，這使得最初的樣機并沒有達到與傳統(tǒng)喇叭饋源相當?shù)慕邮諜C噪聲性能，但是PAF 技術的應用很大程度提升了望遠鏡的效率和視場，這些性能指標的提升在當時很好地激發(fā)技術人員參與到PAF 的研發(fā)中去。圖12 為2005 年在WSRT 25 m 天線上安裝常溫PAF 樣機進行測試的現(xiàn)場照片。ASTRON 在WSRT 的測試結果證明，與傳統(tǒng)的單波束饋源喇叭相比，致密型PAF 在寬頻帶上具備提供更高天線效率的潛力。

圖12 安裝于WSRT 的FARADAY 常溫PAF

而上述FARADAY 項目的PAF 樣機僅作為SKA 歐洲委員會射頻網相控陣(radioNet phased arrays for reflector observing systems,PHAROS)工程的預研部分，之后ASTRON聯(lián)合PHAROS 工程合作伙伴(英國、意大利、波蘭和澳大利亞)進一步推進制冷PAF 的研制工作[23,24]。2006 年，ASTRON 為PHAROS 工程研制了第一版低溫制冷PAF 樣機，該樣機由144 個Vivaldi 天線作為陣元，其工作帶寬4～8 GHz，經波束合成后可瞬時形成四個交疊的波束，低噪聲放大器工作在20 K 的低溫環(huán)境。ASTRON 為PHAROS 工程研制的制冷PAF 樣機，如圖13 所示，a)為PAF 陣列，b)為低溫杜瓦內部結構，c)為杜瓦安裝完畢后的制冷PAF。該制冷樣機之后被運至英國曼徹斯特的德雷爾班克天文臺(Jodrell Bank Observatory,JBO)并進行了相關的測試工作。

圖13 PHAROS 工程的第一版制冷PAF 樣機

2008 年，ASTRON 開始為WSRT 的綜合孔徑項目(aperture tile in focus,APERTIF)開發(fā)實用型PAF 接收機[25]。該PAF 工作頻率為1.13～1.75 GHz，由121 個Vivaldi 天線陣元組成(見圖14 a))，陣列面積約為80×80 cm2，采用的室溫低噪聲放大器連接到每個陣元天線上(見圖14 b))，以放大接收信號并過濾帶外干擾，放大的信號通過同軸射頻電纜傳輸?shù)矫總€天線外，再經進一步放大、濾波并轉換到中頻信號(400～800 MHz)，后經8 bit 及0.8 模數(shù)轉換器數(shù)字化后被分割成512 個子帶，其中384 個子帶被用于波束合成(300 MHz帶寬)，經波束合成后的信號被傳送至20 KHz 的頻率通道中進行相關處理，然后對相關后的數(shù)據進行臨時存儲；上述過程為PAF 實時處理部分，而在離線處理中主要開展干擾信號的檢測和移除以及自校準，最后將標定后的數(shù)據成圖并保存[26]。APERTIF 項目PAF 接收機之后被成功安裝于WSRT 12 個25 m 天線上(見圖14 c))，系統(tǒng)溫度70 K，孔徑效率75%，雙線極化輸出，成功實現(xiàn)了數(shù)字波束合成方法并取得了初步結果，瞬時波束可以達到37 個雙極化，視場為8 平方度。該項目最終于2014 年底通過驗收，并逐漸進入推廣階段[27]。

圖14 APERTIF 項目研制的實用型PAF 接收機

圖15 a)為WSRT 安裝APERTIF 項目研制的實用型PAF 接收機后單面板天線靈敏度，圖15 b)為MFFE 和APERTIF 系統(tǒng)靈敏度比對，從圖中可見，雖然APERTIF 的單面板靈敏度略低，但是在帶內波動明顯好于MFFE，更為平坦，非常適合寬帶校準。

圖15 APERTIF 系統(tǒng)靈敏度及其帶內比對結果

目前，荷蘭ASTRON 正聯(lián)合意大利國家天體物理研究所、英國曼徹斯特大學、馬耳他大學和查爾默斯大學(瑞典)開展PHAROS 2 項目的PAF 樣機研發(fā)工作。PHAROS 2 項目作為PHAROS 的升級版，研制目標是一款工作在4～8 GHz、具備數(shù)字波束形成的低溫制冷PAF，該設備將會作為SKA 優(yōu)先儀器PAF 研發(fā)項目進行開發(fā)[28,29]。PHAROS 2 擬安裝在英國76 m 射電望遠鏡主焦位置開展技術和科學驗證。

3.1.3 加拿大

作為SKA 成員國之一，加拿大的射電天體物理天文臺(Dominion Radio Astrophysical Observatory,DRAO) 在相控陣饋源方面也進行了大量的研究工作，其主要包括相控陣樣機(phased array demonstrator,PHAD)[30]和焦平面陣列樣機(advanced focal array demonstrator,AFAD)項目[31]。

2009 年，DRAO 開展首臺具有離線數(shù)字波束合成能力PAF 樣機(PHAD) 的工程實踐，主要用于有關校準和波束合成、效率和系統(tǒng)噪聲優(yōu)化等方面，并未直接應用于天文研究，因此在系統(tǒng)溫度、波束合成及處理帶寬等方面可有一定妥協(xié)。該PHAD 工作頻率為1～2 GHz，由180 個Vivaldi 天線組成雙極化陣列，陣元間距為波長的一半，每一個天線單元之后對應連接一個LNA，陣列尺寸為0.76×0.76 m2。圖16 a)為PHAD 陣列及其數(shù)字信號處理器和數(shù)據記錄系統(tǒng)，b)為PHAD 使用的、在低損耗微波印刷電路板材料上制造的Vivaldi 天線[32]。PHAD 選擇Vivaldi 作為陣元，是因為其具有寬帶特性且具備較好的輻射效率，而且較為適合致密陣排布[33]。作為PAF 樣機，PHAD 暫時采取離線方式進行波束合成。

圖16 PHAD 系統(tǒng)樣機及其Vivaldi 陣元天線

之后，DRAO 將PHAD 樣機安裝在10 m 反射面天線MkII 上并進行了測試。該天線同樣是DRAO 于2008 年為SKA 研制的，并由碳纖維增強復合材料制成，采取整體成型技術。其也是繼2007 年DRAO 建造第一版天線MkI 后的改良版，重量僅為1 000 kg，主要目的是用于開展PHAD 的相關測試[34]。圖17 為10 m MkII 天線及其上安裝的PAF 樣機。

圖17 MkII 天線及其上安裝的PHAD

2011 年，在PHAD 樣機的基礎上，DRAO 開始研制下一版AFAD，它是一種符合射電天文觀測靈敏度和帶寬指標的PAF 樣機。AFAD 工作頻率為0.7～1.5 GHz，陣元間距為10 cm(波長/2 @1.5 GHz)，雙線極化輸出，處理帶寬為0.5 GHz，陣列尺寸小于1×1 m2，初步設計由128 個Vivaldi 陣元組成。頻率選擇范圍主要考慮覆蓋HI 線在1.42 GHz 的高頻端并向下延伸以觀察氫線紅移。此外，也希望可以使用AFAD 開展偏振觀測。由于受普通10 G 光纖鏈路數(shù)據速率限制，AFAD 只有部分陣元信號數(shù)字化后被傳輸?shù)讲ㄊ铣删W絡[35]。在天線陣子與低噪聲放大器集成設計中，前一版的PHAD 由于低噪聲放大器位于距Vivaldi陣元饋電點幾厘米的地方，加之PHAD 工作于室溫下，較長傳輸線損耗導致系統(tǒng)溫度顯著升高。AFAD 的設計將低噪聲放大器盡可能靠近Vivaldi 陣元饋電點，從而降低傳輸線損耗，并且通過增加Vivaldi 陣元的厚度(用5 mm 厚的固體金屬制造元件而不是印刷電路板或厚度小于1 mm 的金屬板)，從而增加電流流過的表面積，且以此減少開槽線損耗。另外，這種增加Vivaldi 陣元的厚度，可以允許LNA 嵌入其中，并提供良好的電磁屏蔽，如圖18 a)所示，這也是DRAO 第一次嘗試在一個已知Vivaldi 陣元內集成LNA[36]。圖18 b)是41 個陣子的PHAD 樣機，起初低噪聲放大器用的均是Avago LNA ICs，之后將陣列中間9 個陣子連接的低噪放更換成CMOS LNA(來自Calgary 大學)而實現(xiàn)了更好的結果[37–39]。

圖18 Vivaldi 陣元內嵌LNA 設計及41 陣元樣機

之后，DRAO 繼續(xù)優(yōu)化AFAD 樣機陣列尺寸，以獲取更高的接收機靈敏度，包括將之前的模擬波束合成方式過度為數(shù)字波束合成網絡，并希望可以應用于實際天文觀測。DRAO第二階段AFAD 樣機計劃實現(xiàn)88 個改進后的Vivaldi 陣子，所有的陣子均內嵌CMOS 低噪放并采用數(shù)字波束合成技術，擬裝備在DVA-1 天線(見圖19 a))、在1.5 GHz 觀測頻率形成3×3 個波束。該AFAD 樣機在實際測試中，由于靜電導致部分陣子在裝配時被毀壞，故此最終安裝的PAF樣機為60 陣元的Vivaldi 天線陣列，其中30 個Vivaldi 天線連接CMOS 低噪放，另外30 個Vivaldi 天線連接GaAs 低噪放(見圖19 b))。

圖19 DVA-1 天線及60 陣元AFAD 樣機

由于常溫PAF 噪聲溫度偏高，很大程度上影響其廣泛應用。2017 年，DRAO 又開始進行2.8～5.18 GHz 的全制冷PAF 樣機(cryoPAF4)研制。該PAF 樣機為雙線極化設計，由140 個Vivaldi 天線陣元及其后級低噪聲放大器組成，陣元天線及低噪聲放大器全部制冷，接收機噪聲溫度預估為11 K(見圖20 a))。整個陣列位于直徑480 mm 的圓柱形杜瓦瓶中，杜瓦瓶上覆蓋有射頻透明真空窗(見圖20 b))。在每個金屬Vivaldi 天線元件內集成了一個寬帶兩段同軸饋線(見圖20 c))，以承受低溫環(huán)境，并提供50 Ω 的阻抗，以連接到陣列天線的后級部分。cryoPAF4 設計的數(shù)字波束合成網絡，可執(zhí)行數(shù)字化、頻帶選擇、波束合成和陣列校準等功能。DRAO 擬將cryoPAF4 應用于15 m 格里高利雙反射鏡望遠鏡上，可形成18 個連續(xù)交疊的波束，與具有相同系統(tǒng)溫度的傳統(tǒng)單波束接收機相比，視場預計可增加8 倍。

圖20 DRAO 正在研制的cryoPAF4

3.1.4 澳大利亞

澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(Commonwealth Science and Industrial Research Organization,CSIRO)的澳大利亞國家射電望遠鏡中心(Australia Telescope National Facility,ATNF)一直在積極探索擴大射電望遠鏡視場的技術與方法，這其中包括現(xiàn)有Parkes 64 m 射電望遠鏡中的13 波束L 波段接收機和SKA 提出的大數(shù)量、小口徑(large-number,small-diameter,LNSD)方案中的相控陣饋源。

作為SKA 的發(fā)起國之一，澳大利亞一直致力于SKA 的研發(fā)工作，是LNSD 方案的代表國家。2007 年，澳大利亞ATNF 開始了一項名為澳大利亞SKA 先導項目(Australian SKA pathfinder,ASKAP)，由澳大利亞CSIRO 協(xié)同國際合作者共同開發(fā)，其中包括加拿大、荷蘭和德國。ASKAP 作為SKA 先導單元，計劃安裝36 個12 m 拋物面天線，每臺天線上配備0.7～1.8 GHz 相控陣饋源接收機進行觀測，臺址部署在西澳大利亞內陸地區(qū)一個新的無線電保護區(qū)。ASKAP 建成后將成為世界上最快的譜線巡天觀測設備[40]。

ASKAP 上裝配的相控陣饋源是該項目研制的核心裝置。ASKAP 第一版PAF(MkI)選擇的結構是一個5×4 單元雙極化棋盤式陣列，陣列天線設計在一個薄的電介質片上，由一個棋盤形的方形導電片印刷電路板組成(見圖21 a))。整個PAF 前端由印刷電路板、泡沫和接地板組成(見圖21 b))，以此形成一個堅固且易于制造的設計結構[41,42]，陣列后級采用室溫差分低噪聲放大器。該項工作補充了荷蘭ASTRON 和加拿大DRAO 的基于Vivaldi 陣元的PAF 研制工作。2012 年，ASKAP 第一版PAF 樣機被安裝于西澳大利亞默奇森射電天文觀測站(Murchison Radio-astronomy Observatory,MRO)現(xiàn)場，如圖21 c)所示，經12 m天線安裝并測試后，該Mk I 原型樣機已成功實現(xiàn)大約30 平方度的視場。

圖21 ASKAP 第一版棋盤式PAF 及其安裝的12 m 天線

2012 年，澳方開啟ASKAP 第二階段相控陣饋源樣機(MarkII)的研制[43]。該MarkII饋源陣列由94×2 個貼片偶極子單元組成188 陣元，采用“自互補棋盤式”排列形式，工作頻段為700～1 800 MHz，系統(tǒng)瞬時帶寬300 MHz，采用數(shù)字波束合成技術[44]，大約可形成30 個波束，在1.4 GHz 生成30 平方度的視場，允許巡天和深空探測[45]。該PAF 樣機于2015 年研制完成(見圖22 a))[46]，并于同年年底安裝于ASKAP 的12 m 天線上并開展測試工作(見圖22 b))。該MkII PAF 樣機使用RFoF 方式，將所有陣列射頻信號經光纖傳輸至中央大樓，以此大大降低位于天線基座下方的電子設備及支撐系統(tǒng)的復雜性，但該方式也會產生大量的數(shù)據，數(shù)據傳輸速率每個天線約2 Tb/s[47,48]。

圖22 MkII PAF 樣機及安裝的12 m 天線

在澳大利亞CSIRO 研制MarkII 的同時，德國馬普射電所為ASKAP 第二階段也在開展188 陣子Mk II PAF 樣機的研制工作。2016 年，由德國馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy,MPIfR)研制的PAF 樣機首次安裝于澳大利亞64 m Parks 射電望遠鏡并開展調試[49]，如圖23 a)所示。該樣機系統(tǒng)設計工作頻率為0.8～1.74 GHz，預計波束合成后的噪聲溫度在45 K 到60 K 之間，孔徑效率在70%～80%之間，有效視場在1 310 MHz 時為1.4 deg2。在澳大利亞Parkes 64 m 天線上進行了6 個月的試驗觀測后，該PAF 樣機又被安裝在德國Effelsberg 100 m 天線上開展試觀測，上述工作也是天文學家在大型單面板射電望遠鏡上使用PAF 開展科學觀測的首次經歷?？紤]到在Parkes 和Effelsberg觀測可能會受到來自移動電話和數(shù)字電視信號的干擾，MPIfR 版Mk II PAF 樣機配備了更窄的采樣濾波器，接收頻率縮減至1.2～1.75 GHz。在Parkes 64 m 天線端，MPIfR 版Mk II PAF 樣機在1 310 MHz 采用最大靈敏度波束合成算法在整個視場上采用歸一化的靈敏度，如圖23 b)所示。

圖23 Parkes 上安裝MPIfR 版MkII 及靈敏度測試結果

上述MkII PAF 樣機在大型單面板望遠鏡上的成功測試，使得CSIRO 開始考慮將實用型PAF 接收機應用于大型單面板望遠鏡上，如Parkes 64 m 射電望遠鏡，期望可以實現(xiàn)在2～3 倍頻程帶寬范圍內實現(xiàn)高靈敏度，且能夠在幾個波束寬度的視場內實現(xiàn)電掃描。在此需求下，CSIRO 于2016 年開始研究一版基于類似火箭型的圓錐旋轉體陣元(Vivaldi 天線的優(yōu)化版)組成的PAF 陣列(Mk-III PAF)[50]。該陣列采用5×4 方形結構(見圖24 a))，雙極化輸出，每個極化在E 面上有5 個端口，沿H 面有4 個端口，考慮到低頻的射頻干擾，頻率范圍可優(yōu)化擴展到600～1 800 MHz。當前版本設計仍為常溫PAF，如果為低溫制冷設計，該PAF接收機噪聲溫度可達15～20 K。Mk-III PAF樣機于2016年5月安裝于Parkes 64 m 天線上(見圖24 b))，測試人員使用斬波輪法測試接收機的噪聲溫度，采取最大信噪比的波束合成算法測試系統(tǒng)溫度。Mk-III PAF 樣機的波束合成網絡(見圖24 c))采用無源、寬帶、等振幅、等延遲、單極化設計，最終輸出為一路合成后的信號[51]。這種模擬波束形成器結構簡單，易于表征，性能穩(wěn)定，非常適合PAF 研制期間開展測試。在Mk-III PAF 樣機研制成功后，分別使用模擬和數(shù)字兩種波束合成器在Parkes 64 m 天線上進行了比對測試，并與仿真結果進行了對比，用模擬波束形成法測量的系統(tǒng)噪聲溫度與仿真模擬結果非常一致，令人鼓舞。雖然該模擬波束形成器的簡單性、極易測量結果和質量，使其成為PAF 孔徑陣列測試不可或缺的工具，但在ASKAP 測試發(fā)現(xiàn)模擬波束合成器的實時性相對較慢，在綜合孔徑中應用仍有弊端。

圖24 MkIII PAF 樣機、64 m 天線安裝及模擬波束合成器

2019 年，澳大利亞CSIRO 開始為Parkes 64 m 射電望遠鏡設計600～1 950 MHz 的98陣元/196 通道低溫制冷PAF 樣機，PAF 模型如圖25 所示。該PAF 陣列包括間距為80 mm的火箭形狀的陣元天線，并將Mk-III PAF 樣機版本的火箭型陣子進行優(yōu)化以匹配低噪聲放大器并提高波束合成效率。鑒于Parkes 64 m 射電望遠鏡臺址受觀測波段低頻端外部射頻干擾影響嚴重，因此在制冷PAF 設計時將添加一個階躍濾波器，以抑制外部RFI并避免接收機飽和，同時以稍微升高系統(tǒng)噪聲溫度為代價來進行天文觀測。由于射頻干擾的影響，該制冷PAF 的典型噪聲貢獻預計將提升0.5 K(射頻干擾帶)和1.5 K(全頻段)，使用Parkes 64 m 望遠鏡系統(tǒng)噪聲溫度預計分別為25 K 和30 K。

圖25 CSIRO 正在研制的98 陣元制冷PAF 模型

3.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，隨著國內大科學裝置及前沿科學的驅動，我國在相控陣饋源技術方面也開展了大量的研究工作。上海臺依托天馬65 m 射電望遠鏡，在卡焦式相控陣饋源技術方面進行了相關的研究和實驗。國家臺依托FAST 工程，與中國電子科技集團公司第五十四研究所(簡稱五十四所)、北京航空航天大學、南京理工大學等機構開展合作，針對L 波段相控陣饋源開展了大量的研究。國家臺和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術聯(lián)合實驗室依托SKA 工程，針對不同頻段相控陣饋源開展了相關的研發(fā)工作。中國科學院新疆天文臺(簡稱新疆臺)依托擬建的奇臺110 m 射電望遠鏡，也已開展0.7～1.8 GHz 的相控陣饋源預先研究。

3.2.1 天馬65 m 天線PAF 設計

2013 年，上海臺依托天馬65 m 射電望遠鏡開展了PAF 的關鍵技術研究。與絕大多數(shù)主焦設計的長厘米波段PAF 不同，上海臺開展的是針對更高的工作頻段(6～9 GHz)、卡焦形式PAF 的分析研究[52]。

通過對拋物面天線焦面場的仿真優(yōu)化分析，初步確定PAF 陣列設計。選取Vivaldi 作為陣列單元，使用三層電路板工藝，中間層為饋電層，上下層增加了互通金屬過孔，Vivaldi 天線單元后端采用帶狀線到同軸線的過渡方式連接同軸轉接頭；根據陣列特性，單元間距選取9 GHz 對應波長的一半，以此達到對焦平面進行完全采樣；初步確定PAF 樣機為102×2 單元正交vivaldi 天線陣列。實際PAF 陣列僅加工了8 列(橫、豎各4 列)vivaldi 陣元，如圖26 所示。由于只是部分加工，集成效果與理想陣列圖略有區(qū)別，但已可以實現(xiàn)波束掃描功能[53]。

圖26 上海天文臺PAF 原理樣機

最終，研究人員對該PAF 的Vivaldi 天線陣列中心單元開展了基本的S 參數(shù)測量，而后利用共軛匹配的波束合成方法對該PAF 原理樣機進行了整機的性能測試。該項研究也是國內在大口徑射電望遠鏡上開展PAF 技術的首次探索。

3.2.2 FAST PAF 研制

國家臺主持建造的“500 m 口徑球面射電望遠鏡”，是利用貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件建設的世界上最大的單口徑射電望遠鏡。目前，國家臺FAST 團隊與五十四所[54]、北京航空航天大學、南京理工大學[55–58]等國內高校，以及國外CSIRO 和NRAO 等研究機構開展合作，正在開展L 波段制冷相控陣饋源的研制工作。

FAST PAF 設計指標：工作頻率為1.05～1.45 GHz，瞬時帶寬大于等于500 MHz，視場為0.6×0.6 平方度，瞬時波束數(shù)量大于等于100 個，系統(tǒng)溫度為25 K，口徑效率大于等于55%[59,60]。國家臺與五十四所以射電天文技術聯(lián)合實驗室為依托，初步設計PAF 陣列采用背腔陣子形式(見圖27 a))，六邊形排布，最終陣元數(shù)量為217 個，陣元間距為0.65 倍波長，雙線極化輸出，合成一個波束需要37 個陣元，瞬時可以形成100 個波束。目前，F(xiàn)AST 19 陣元PAF 樣機設計如圖27 b)所示。

圖27 背腔陣子及FAST 19 陣元PAF 樣機

目前，研究人員正在開展FAST PAF 的制冷設計[61]，如圖28 所示。

圖28 FAST 制冷PAF 樣機

3.2.3 中國SKA PAF 研制

在SKA 諸多成員國中，中國在SKA 發(fā)起、選址、工程概念及技術研發(fā)等方面均起到積極的推動作用[62]。目前，由國家臺和五十四所聯(lián)合成立的射電天文技術聯(lián)合實驗室正在開展SKA 先導天線及相位陣饋源等關鍵技術研究[63]。其中，中國驗證天線(dish verification antenna-China,DVA-C) 是我國瞄準SKA 反射面天線單元，結合國際先進設計理念與成熟工程經驗研制的、具有自主知識產權的一架反射面天線樣機(如圖29 所示)[64]。該天線采用上偏置格利高里天線形式，主副反射面賦形設計；主副反射面均采用碳纖維材料、單塊面板、整體成型技術制造工藝；天線轉動采用方位轉臺、俯仰絲杠的座架設計；天線控制采用全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

圖29 DAV-C 天線

射電天文技術聯(lián)合實驗室利用之前為FAST 設計的背腔陣子PAF 設計，結合最新設計的DAV-C 天線，又設計出中國SKA 項目中新的接收設備樣機(SKA DAV-C PAF)。圖30是五十四所為SKA DAV-C 設計的PAF 樣機。

圖30 SKA DAV-C PAF 及陣元布局

之后，該實驗室繼續(xù)為SKA 項目在Ku 波段擬進行的多波束觀測開展PAF 設計。2019年，五十四所針對具體的反射面天線，已經成功研制一工作在Ku 頻段的相控陣饋源樣機，該樣機采用開口波導作為陣列單元，一共22 個單元。采用數(shù)字波束合成技術，在俯仰方向上形成了四個瞬時波束。通過仿真還可以得到單個波束的效率最高可達74.7%，增益達到63 dB，天線的噪聲溫度為92 K，滿足項目要求，單個波束的靈敏度為1.077 m2·K?1，相鄰波束性能基本一致[65]。

3.2.4 QTT PAF 預研

新疆臺聯(lián)合中國科學院和新疆維吾爾自治區(qū)，擬在新疆奇臺縣建設“110 米口徑全向可動射電望遠鏡” (QiTai Telescope,QTT)[66]，QTT 模型如圖31 所示。根據科學目標和項目實施計劃，初步計劃配備五套高靈敏度制冷接收機，覆蓋0.27～30 GHz 的觀測頻率范圍，其中40 cm 波段(0.27～1.8 GHz)和15 cm 波段(0.7～4 GHz)單波束接收機，以及20 cm 波段(0.7～1.8 GHz)相控陣饋源接收機系統(tǒng)裝備在QTT 主焦點位置，5 cm 波段(4～16 GHz)和2 cm 波段(16～30 GHz)單波束接收機裝備在QTT 格里高利焦點位置。后期擬陸續(xù)配備13/3.6 cm,3.6/0.9 cm,1.3 cm,7 mm 和3 mm 波段5 套高頻接收機，共計10 套接收機，工作頻率覆蓋0.27～115 GHz，具備總功率、偏振、頻譜、甚長基線干涉測量等多種觀測模式。

圖31 QTT 模型

QTT 項目建設在即，相應的各個波段接收機的預研工作已經展開，其中20 cm 波段PAF 作為其中唯一一臺相控陣饋源接收機，為大型射電望遠鏡使用相控陣饋源實現(xiàn)數(shù)十乃至上百個波束同時觀測提供了可能。20 cm 波段相控陣饋源接收機主要由低溫制冷前端、常溫微波單元、信號采集與傳輸單元、電源與監(jiān)控單元、校準單元、制冷系統(tǒng)和充氣系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖32 所示[67]。

圖32 QTT 20 cm 波段PAF 系統(tǒng)結構

QTT 20 cm 波段PAF 接收機射頻帶寬0.7～1.8 GHz，雙線極化輸出，為了盡可能降低接收機噪聲溫度，96 個單元饋源陣列和第一級低噪聲放大器整體制冷，輸出信號經濾波放大之后直接由數(shù)字化光纖傳輸，96 陣元布局如圖33 所示。目前，正在開展低溫制冷前端設計。該PAF 低溫制冷前端是接收機的核心部分，其噪聲溫度指標決定了整個接收機系統(tǒng)的靈敏度。低溫制冷前端由真空微波窗口、正交模耦合器、低溫定向耦合器、低溫隔離器、低溫低噪聲放大器與低溫射頻電纜組件及制冷機構成，制冷部件工作于20 K 溫區(qū)，外層加入溫度為77 K 的冷屏降低熱輻射效率，進一步保證制冷器件的工作溫度，整個低溫微波單元封裝在杜瓦內。

圖33 QTT 20 cm 波段PAF 96 陣元布局

4 總結與展望

將PAF 應用于焦平面陣列的優(yōu)點在于其可以通過優(yōu)化波束來提升望遠鏡在靈敏度、旁瓣和偏振特性方面的性能。與此同時，PAF 相較多波束技術在系統(tǒng)設計方面將面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如采取陣列低噪放后級直接數(shù)字化，有助于提升系統(tǒng)的緊湊性，消除了同軸電纜或光纖鏈路復雜程度，但會增大數(shù)據量，另外還包括緊湊性、對外部射頻干擾的敏感性、對通道隔離提供足夠的信道、射頻信號泄漏控制、制冷、重量和成本等方面。未來射電天文領域PAF 的研究重點及主要挑戰(zhàn)包括PAF 陣列的數(shù)值模擬、PAF 接收機的噪聲優(yōu)化、PAF 的波束合成技術，以及PAF 的陣列校準。

射電天文學的蓬勃發(fā)展正在積極推動著高靈敏度相控陣饋源的研究。大型單面板射電望遠鏡，如上海臺天馬望遠鏡、國家臺FAST、新疆臺QTT，以及大型射電望遠鏡陣列，如中國SKA 項目，均在積極推動著國內相控陣饋源技術研發(fā)。隨著射電天文觀測需求的不斷攀升，對相控陣饋源的性能也提出了更為嚴苛的要求，接收機研發(fā)人員將面臨更大挑戰(zhàn)，例如超寬帶、低噪聲、全制冷、實時數(shù)字信號處理等，這些需求已經成為相控陣饋源在未來幾年內的發(fā)展方向。相信在不遠的未來，新一代PAF 將會成為天文學家開展巡天觀測的科學利器，也將使得對瞬態(tài)宇宙現(xiàn)象的研究成為可能。