大孔徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡換饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鳳輝， 汪敏， 董亮， 施碩彪

（中國(guó)科學(xué)院 云南天文臺(tái)， 云南 昆明 650216）

我國(guó)最南邊的40 m孔徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡位于云南省昆明市，其在可觀測(cè)天區(qū)和射電天文觀測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。昆明40 m孔徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)射電望遠(yuǎn)鏡）的主要任務(wù)是接收月球探測(cè)衛(wèi)星和火星探測(cè)衛(wèi)星下行的科學(xué)數(shù)據(jù)，并對(duì)探測(cè)衛(wèi)星進(jìn)行精密測(cè)軌。從2007年至今，射電望遠(yuǎn)鏡圓滿(mǎn)完成了“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星、“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星、“嫦娥三號(hào)”衛(wèi)星、“嫦娥四號(hào)”中繼星、“嫦娥四號(hào)”衛(wèi)星、“嫦娥五號(hào)”衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、精密測(cè)軌及其他深空探測(cè)任務(wù)。目前，研究人員還利用射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展了脈沖星、分子譜線的觀測(cè)及甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等射電天文研究工作。

射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)之初只有一個(gè)S/X雙頻饋源，觀測(cè)頻率為S頻段的2～4 GHz、X頻段的 8～12 GHz。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足探月工程、深空探測(cè)及其他天文觀測(cè)任務(wù)的需求，作者對(duì)S/X雙頻饋源進(jìn)行多饋源改造，并開(kāi)發(fā)了換饋系統(tǒng)。在不改變現(xiàn)有天線結(jié)構(gòu)（包括主副反射面、天線背架支撐等）的基礎(chǔ)上，拆除原S/X雙頻饋源，安裝新的S/X雙頻饋源。新的S/X雙頻饋源在結(jié)構(gòu)尺寸上有所變化，但其性能并未降低。原來(lái)的饋源支套上只有1個(gè)S/X饋源喇叭，現(xiàn)增加了C頻段、Ku頻段饋源，故改造之后饋源支套上有3個(gè)饋源喇叭，實(shí)現(xiàn)3個(gè)饋源4個(gè)頻段之間電動(dòng)快速切換，使天線具有多頻段接收能力。本文給出了饋源及換饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)施方案，并在系統(tǒng)改造完成后對(duì)換饋系統(tǒng)的主要指標(biāo)和天線的主要技術(shù)性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 換饋系統(tǒng)的組成及工作原理

射電望遠(yuǎn)鏡如圖1所示。饋源位于拋物面天線的卡塞格倫焦點(diǎn)上，饋源艙內(nèi)有接收機(jī)、變頻單元等設(shè)備，整個(gè)饋源艙重達(dá)4 t。饋源位置的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著天線的增益。為了保證饋源改造升級(jí)之后原有天線的性能不受影響，甚至有所提高，對(duì)換饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試提出了較高要求。

圖1 射電望遠(yuǎn)鏡Fig.1 Radio telescope

1.1 換饋系統(tǒng)的組成

換饋系統(tǒng)的組成如圖2所示[1]，其主要包括饋源單元、結(jié)構(gòu)單元和控制單元。其中：饋源單元由S/X雙頻饋源、C頻段饋源和Ku頻段饋源組成；結(jié)構(gòu)單元主要由支撐筒、俯仰筒和密封套等組成；控制單元主要由驅(qū)動(dòng)控制單元、位置顯示單元和控制與保護(hù)邏輯測(cè)量單元等組成。

圖2 換饋系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of feed switching system

1.2 換饋系統(tǒng)工作原理

在垂直于主反射面軸線的平面內(nèi)，將3個(gè)饋源排布于饋源支套內(nèi)，3個(gè)饋源的相心處在同一圓弧面上，此圓弧面過(guò)天線焦點(diǎn)且垂直于主反射面軸線。工作時(shí)，擺動(dòng)所需頻段的饋源至弧面中心，對(duì)準(zhǔn)副反射面，饋源之間的夾角和間隔在照射角范圍內(nèi)互不遮擋，并且盡量減少3個(gè)饋源支套對(duì)天線主反射面的遮擋。頻段切換時(shí)，通過(guò)高精度電動(dòng)推桿將工作饋源置于天線軸線相心處，將須工作的饋源移至弧面中心，并被可靠地鎖定，同時(shí)將位置信號(hào)傳遞至控制系統(tǒng)[2-3]。

饋源單元中，S/X雙頻饋源的體積和質(zhì)量最大，因此饋源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是S/X雙頻饋源的位置。從受力平衡和減小遮擋的角度出發(fā)，將3個(gè)饋源排列在一個(gè)水平面內(nèi)，S/X雙頻饋源在中間，C頻段、Ku頻段饋源的體量較小，排在S/X雙頻饋源的兩邊。

饋源切換方式采取一維鐘擺式，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)位于同一平面的3個(gè)饋源的俯仰筒，使需工作的饋源擺動(dòng)至中心軸線并對(duì)準(zhǔn)副反射面。一維鐘擺式饋源排布如圖3所示。

圖3 一維鐘擺式饋源排布示意Fig.3 Schematic of feed source layout with one dimensional clock pendulum

采取絲杠推拉的方式實(shí)現(xiàn)饋源系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)。為了保證每次擺動(dòng)后所使用饋源的軸線能夠與天線的軸線重合，饋源的擺動(dòng)中心應(yīng)位于天線的軸線上。轉(zhuǎn)動(dòng)中心的選取涉及力平衡、空間利用等諸多因素[4-5]。

3個(gè)饋源的偏開(kāi)角度為15°。從C頻段、Ku頻段饋源的喇叭相心到S/X雙頻饋源喇叭邊緣的角度均為15°，而C頻段、Ku頻段饋源喇叭對(duì)副反射面的照射角為11.8°，可以確保喇叭間不會(huì)相互遮擋。

2 饋源設(shè)計(jì)

2.1 原天線參數(shù)

射電望遠(yuǎn)鏡的天線為焦徑比為0.33的卡塞格倫雙反射面天線。其中：主反射面直徑在26 m以?xún)?nèi)的為實(shí)體面板；直徑為26～40 m的為網(wǎng)面，網(wǎng)孔尺寸為4 mm×4 mm?？ㄈ駛愲p反射面天線的幾何參數(shù)如圖4所示，其具體數(shù)值如表1所示。S頻段和C頻段工作在40 m孔徑的實(shí)網(wǎng)全面板，由于網(wǎng)孔尺寸超過(guò)了X、Ku頻段的波長(zhǎng)，X、Ku頻段工作在26 m孔徑的內(nèi)圈實(shí)面板，此時(shí)40 m孔徑天線的有效孔徑只相當(dāng)于26 m孔徑的天線。

表1 卡塞格倫雙反射面天線幾何參數(shù)值Table 1 Geometric parameter values of Cassegrain antenna with dual reflectors

圖4 卡塞格倫雙反射面天線幾何參數(shù)示意Fig.4 Schematic of geometrical parameters of Cassegrain antenna with dual reflectors

望遠(yuǎn)鏡主拋物面方程為：z=x2/4f。面型精度的均方根值δRMS：當(dāng)主反射面直徑在26 m內(nèi)時(shí)，δRMS≤0.8 mm；當(dāng)主反射面直徑為26～40 m時(shí)，δRMS≤2.4 mm。

利用天線現(xiàn)有的幾何參數(shù)，可以設(shè)計(jì)不同頻段高效率照射的饋源喇叭。

2.2 饋源結(jié)構(gòu)及仿真

2.2.1 S/X雙頻饋源結(jié)構(gòu)

S/X雙頻饋源主要由S/X雙頻段波紋喇叭、S/X頻段耦合器、S頻段極化器和X頻段極化器等組成。S/X雙頻饋源結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中，S、X頻段共用一個(gè)輻射喇叭，通過(guò)S/X分波器將S、X頻段的信號(hào)分離，并利用組合網(wǎng)絡(luò)將耦合出的S頻段信號(hào)分成左、右旋圓極化，而X頻段的信號(hào)繼續(xù)向后傳輸給制冷接收機(jī)[6]。

S/X雙頻饋源輸出接口如圖6所示。其中S頻段接口采用標(biāo)準(zhǔn)FDP22（BJ22）法蘭，X頻段接口采用標(biāo)準(zhǔn)FBP84（BJ84）法蘭。

圖6 S/X雙頻饋源輸出接口Fig.6 Output interface of S/X dual-frequency feed source

2.2.2 C頻段饋源結(jié)構(gòu)

C頻段饋源主要由波紋喇叭、圓極化器和正交器等組成。C頻段饋源的帶寬最寬，為4～8 GHz。其波紋喇叭采用直線張角喇叭，如圖7所示[7]。其輸出段呈直線。

圖7 C頻段饋源波紋喇叭示意Fig.7 Schematic of corrugated horn of C frequency feed source

2.2.3 Ku頻段饋源結(jié)構(gòu)

Ku頻段饋源主要由波紋喇叭、圓極化器和正交器等組成。波紋喇叭采用直線張角喇叭，如圖8所示；圓極化器采用圓波導(dǎo)介質(zhì)片移相形式；正交器選用圓波導(dǎo)形式。其極化方式為左右旋圓極化，接口為標(biāo)準(zhǔn)BJ140方形法蘭。

圖8 Ku頻段饋源波紋喇叭示意Fig.8 Schematic of corrugated horn of Ku frequency feed source

2.2.4 饋源仿真

依據(jù)上述設(shè)計(jì)的各個(gè)饋源喇叭，采用電磁仿真軟件對(duì)天線輻射特性進(jìn)行仿真分析。S頻段、C頻段饋源進(jìn)行實(shí)網(wǎng)組合40 m孔徑仿真，X頻段、Ku頻段饋源進(jìn)行26 m孔徑實(shí)體面板仿真。天線輻射特性仿真模型如圖9所示，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 天線輻射特性仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of antenna radiation characteristics

圖9 天線輻射特性仿真模型Fig.9 Simulation model of antenna radiation characteristics

3 換饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 換饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)換饋方案和工程難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了換饋系統(tǒng)并進(jìn)行了安裝調(diào)試。換饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，其主要由與中心體連接的支撐筒、與多頻饋源支套連接的俯仰筒、連接支撐筒和俯仰筒的電動(dòng)推桿、俯仰筒和支撐筒之間的旋轉(zhuǎn)軸以及與旋轉(zhuǎn)軸一端連接的旋變組合等零部件組成。

圖10 換饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of feed switching system

電動(dòng)推桿一端鉸接在支撐筒上，另一端鉸接在俯仰筒上，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，推桿伸長(zhǎng)或收縮，帶動(dòng)俯仰筒繞換饋擺動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器確定俯仰筒的旋轉(zhuǎn)角度并反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，保證饋源換饋到位時(shí)的位置精度。電動(dòng)推桿由T形絲杠、電機(jī)、減速機(jī)、換向器、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器、制動(dòng)器和離合器等部件構(gòu)成，具有換饋到位時(shí)自鎖穩(wěn)定、運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

各頻段饋源工作時(shí)的饋源位置如圖11所示[8-10]。

圖11 各頻段饋源工作時(shí)的饋源位置Fig.11 Feed source position during each frequency feed source working

3.2 換饋系統(tǒng)受力分析

原饋源系統(tǒng)總重量約為4.15 t，重心距中心體上端法蘭面1 260 mm；換饋改造后旋轉(zhuǎn)部分的重量為3.98 t，重心距中心體上端法蘭面1 766 mm，驅(qū)動(dòng)裝置需提供5.8～9.1 t的力，同時(shí)換饋系統(tǒng)總重量的變化對(duì)天線配重的影響也需考慮。

建立換饋系統(tǒng)有限元模型。選取Shell63單元模擬中心體、支撐筒和俯仰筒，Link8單元模擬電動(dòng)推桿，質(zhì)量單元Mass21模擬饋源質(zhì)心。仿真中只考慮結(jié)構(gòu)重力載荷，約束中心體底面法蘭。中心體、支撐筒和俯仰筒均采用Q235鋼材[11-12]。相對(duì)于支撐筒和俯仰筒，3個(gè)饋源喇叭的質(zhì)量很小，在建立換饋系統(tǒng)有限元模型時(shí)可以忽略。所建立的換饋系統(tǒng)有限元模型如圖12所示。

圖12 換饋系統(tǒng)有限元模型Fig.12 Finite element model of feed switching system

換饋機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)范圍為-15°～15°，對(duì)應(yīng)著3種饋源的工作狀態(tài)。每種饋源工作時(shí)，又分別對(duì)應(yīng)天線從朝天到指平的不同姿態(tài)。校核整個(gè)換饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。天線處于朝天姿態(tài)時(shí)饋源的受力分析結(jié)果如圖13所示[13-14]。天線處于朝天和指平不同姿態(tài)時(shí)換饋系統(tǒng)的受力分析結(jié)果如表3所示。

表3 天線處于處不同姿態(tài)時(shí)換饋系統(tǒng)的受力分析結(jié)果Table 3 Force analysis results of feed switching system with antenna at different attitudes

圖13 天線處于朝天姿態(tài)時(shí)饋源的受力分析結(jié)果Fig.13 Force analysis results of feed source with antenna at upturn position

天線處于朝天姿態(tài)時(shí)，換饋機(jī)構(gòu)的應(yīng)力最大值為30.04 MPa，出現(xiàn)在中心體上法蘭板與筋板連接處。同時(shí)，天線軸向變形最大值為0.48 mm，為天線朝天時(shí)C頻段饋源換饋到位時(shí)的變形。

天線處于指平姿態(tài)時(shí)，須考慮其在換饋平面內(nèi)垂直于軸線方向的重力變形，即考慮系統(tǒng)工作時(shí)天線z向的變形。此時(shí)換饋機(jī)構(gòu)的應(yīng)力最大值為77.38 MPa，出現(xiàn)在C頻段饋源工作時(shí)推桿尾座連接處。同時(shí)，天線軸向變形最大值為1.30 mm，z向變形最大值為3.01 mm，均為C頻段饋源工作時(shí)天線指平時(shí)的變形值。

進(jìn)行換饋機(jī)構(gòu)屈曲穩(wěn)定性分析時(shí)須約束中心體底面法蘭，對(duì)俯仰筒上端法蘭加載2 000 kg的載荷，得到換饋機(jī)構(gòu)在該種載荷工況下?lián)Q饋機(jī)構(gòu)的一階屈曲穩(wěn)定性安全系數(shù)為11.868。

綜上可知，在換饋過(guò)程中，換饋機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力（77.38 MPa）小于Q235鋼材的容許應(yīng)力（157 MPa），天線軸向變形最大值（1.30 mm）小于5 mm，在加載2 000 kg的工況下?lián)Q饋機(jī)構(gòu)的一階屈曲穩(wěn)定性系數(shù)為11.868，滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 控制單元工作原理

控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠地控制多頻饋源的位置，使工作頻段的饋源能夠準(zhǔn)確地與天線保持同軸，不發(fā)生漂移。

控制單元采用典型的三環(huán)控制系統(tǒng)，其輸入是給定的位置控制命令。實(shí)際的控制信號(hào)是由給定的位置命令與饋源實(shí)際位置之間的角度誤差的大小和極性決定的?？刂菩盘?hào)控制電機(jī)，使換饋機(jī)構(gòu)向誤差減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各頻段饋源精確定位在目標(biāo)位置?？刂茊卧?，電流環(huán)和速度環(huán)控制在中央控制器中實(shí)現(xiàn)，位置環(huán)控制在控制軟件中實(shí)現(xiàn)。換饋單元的工作原理如圖14所示[15-17]。

圖14 換饋單元工作原理示意Fig.14 Schematic of working principle of feed switching unit

3.3.2 控制單元主要部件

控制單元主要由中央控制器、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)及控制軟件、直流伺服電機(jī)（含測(cè)速機(jī)和制動(dòng)器機(jī)組）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、可編程邏輯控制器、編碼模塊、模擬量采集模塊、位置傳感器和安全保護(hù)器件等組成[18]。

中央控制器是實(shí)施饋源軸運(yùn)動(dòng)位置的閉環(huán)控制及接口數(shù)據(jù)通信的核心部件。采用基于中央控制器工業(yè)總線的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并搭配各種擴(kuò)展模塊，來(lái)保證控制系統(tǒng)的高精度及高可靠性控制，并使得系統(tǒng)易開(kāi)發(fā)及易維護(hù)。

直流伺服電機(jī)選用稀土永磁寬調(diào)速直流伺服電機(jī)測(cè)速機(jī)組，它具有效率高、體積小、質(zhì)量小、噪聲小及調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器是驅(qū)動(dòng)天線的功率放大器。選用英國(guó)Park公司生產(chǎn)的590+直流馬達(dá)控制器，它具有功率放大倍數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、效率高、體積小、質(zhì)量小、噪聲小及調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

控制與保護(hù)邏輯電路包括安全保護(hù)邏輯以及控制電路，其功能主要是饋源旋轉(zhuǎn)方向的限位保護(hù)、系統(tǒng)啟動(dòng)與停機(jī)控制等。

3.3.3 遠(yuǎn)程控制上位機(jī)

遠(yuǎn)程控制上位機(jī)與控制單元的中央控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信?？刂茊卧梢詫?shí)現(xiàn)換饋鏈路的數(shù)字位置閉環(huán)控制、數(shù)字角度編碼、控制參數(shù)的設(shè)置和保存、與外界監(jiān)控機(jī)的雙向數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)遠(yuǎn)程控制界面如圖15所示，其具有待機(jī)、手動(dòng)控制和位置閉環(huán)控制等3種控制方式。

圖15 上位機(jī)遠(yuǎn)程控制界面Fig.15 Remote control interface of upper computer

待機(jī)：在該方式下，制動(dòng)器抱閘，驅(qū)動(dòng)單元處于禁用狀態(tài)；手動(dòng)控制：在該方式下，用戶(hù)可以通過(guò)手動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)饋源，改變換饋速度；位置閉環(huán)控制：在該方式下，位置指令通過(guò)遠(yuǎn)程控制上位機(jī)的控制軟件直接輸入，執(zhí)行后使饋源精確擺向指定的工作位置，到達(dá)指定位置后自動(dòng)停止并鎖定。

4 換饋系統(tǒng)的安裝及調(diào)試

4.1 換饋時(shí)間

在換饋過(guò)程中，電動(dòng)推桿的最大行程為760 mm，運(yùn)行速度為2.5 mm/s，因此換饋時(shí)間t=760/2.5=5.067 min ＜10 min，可見(jiàn)能較為快速地進(jìn)行換饋操作。

4.2 安裝精度

雖然換饋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足了要求，但在現(xiàn)場(chǎng)安裝中必然存在安裝誤差，因此在換饋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中須采取以下2個(gè)措施來(lái)保證安裝精度[19]，以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，減小變形。

1）饋源支套與俯仰筒的安裝定位如圖16所示。采取圓止口定位模式，由4個(gè)定位銷(xiāo)確保源支套與俯仰筒的正交性，以保證到位及復(fù)裝的精度。安裝止口的最大間隙為0.15 mm，定位銷(xiāo)的裝配間隙為0.06 mm，則折算至天線相心處的最大安裝誤差為0.21 mm。

圖16 饋源支套與俯仰筒的安裝定位Fig.16 Installation and positioning of feed sleeve and pitching cylinder

2）將換饋機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸支座與俯仰筒和電動(dòng)推桿進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，支撐筒與中心體間同樣采取圓止口與上法蘭面相配的結(jié)構(gòu)，避免現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)找正和調(diào)整，保證了安裝基準(zhǔn)的一致性、安裝的便利性及定位的準(zhǔn)確性。

4.3 換饋精度

換饋系統(tǒng)的換饋精度由饋源支套尺寸精度、換饋機(jī)構(gòu)裝配精度、電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)精度及鉸接精度、伺服控制精度及結(jié)構(gòu)變形量等決定。

根據(jù)機(jī)械加工的精度等級(jí)，饋源支套尺寸精度可以達(dá)到0.5 mm；換饋機(jī)構(gòu)裝配精度可達(dá)0.2 mm。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)推桿作伸縮直線運(yùn)動(dòng)，推桿前端與俯仰筒鉸接。推桿的運(yùn)動(dòng)精度即推桿每次能伸縮的最小距離，選用運(yùn)動(dòng)精度為0.1 mm的推桿。推桿鉸接精度由其制造精度和安裝工藝決定，推桿前端與俯仰筒的鉸接非常牢固，安裝工藝保證了沒(méi)有發(fā)生偏移的可能，而且根據(jù)受力分析可知，在最大受力狀態(tài)下鉸接應(yīng)力小于其屈服極限，鉸接不會(huì)發(fā)生破壞。推桿兩端鉸接精度為0.04 mm，則推桿運(yùn)動(dòng)及鉸接總精度為0.14 mm。

電機(jī)采用調(diào)速范圍寬、線性度好的直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速完全由換饋控制系統(tǒng)輸出的控制電壓控制，不需要齒輪減速機(jī)。伺服控制精度由編碼誤差、伺服驅(qū)動(dòng)誤差和伺服控制誤差組成，伺服控制精度可達(dá)0.5 mm。

綜合多種因素可得換饋系統(tǒng)引起的不同頻段下的天線指向精度，如表4所示。

表4 換饋系統(tǒng)引起的不同頻段下的天線指向精度Table 4 Antenna pointing accuracy in different frequency bands caused by feed switching system

4.4 柔性防雨罩的設(shè)計(jì)

饋源整體擺動(dòng)時(shí)，饋源支套與中心體之間要密封，且需防雨、防塵，因此設(shè)計(jì)了具有足夠硬度和適當(dāng)延展性的柔性防雨罩。防雨罩材料為全滌綸，其兩面涂有聚氯乙烯防雨涂層，在-40～60 ℃的氣溫下有3 a以上的使用壽命，在昆明地區(qū)有5 a以上的壽命，且后續(xù)更換簡(jiǎn)便，成本低廉。防雨罩上端與俯仰筒連接，下端與支撐筒固定，隨著換饋時(shí)饋源的擺動(dòng)一側(cè)被柔性拉伸，另一側(cè)則發(fā)生折疊，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的密封防雨。饋源柔性防雨罩實(shí)物如圖17所示。

圖17 饋源柔性防雨罩實(shí)物Fig.17 Object of flexible rain cover for feed source

5 天線性能測(cè)試

利用所設(shè)計(jì)的換饋系統(tǒng)對(duì)饋源進(jìn)行改造。饋源改造后，根據(jù)天線性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天線的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試[20-21]，結(jié)果如表5所示。由表可知，天線的主要性能指標(biāo)均滿(mǎn)足了要求。

表5 饋源改造后天線的主要性能指標(biāo)值Table 5 Main performance index values of antenna after feed modification

6 結(jié) 論

饋源和換饋系統(tǒng)改造之后，射電望遠(yuǎn)鏡配置有S頻段（2～4 GHz）、C頻段（4～8 GHz）、X頻段（8～12 GHz）和Ku頻段（12～18 GHz），饋源通過(guò)換饋系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)切換。改造后天線的工作頻率得到擴(kuò)展，可以滿(mǎn)足更多的觀測(cè)需求，提高了望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效率和科研產(chǎn)出。

目前，換饋系統(tǒng)尚存在以下2點(diǎn)不足：一是換饋系統(tǒng)質(zhì)量大，如果系統(tǒng)發(fā)生故障而需手動(dòng)切換饋源時(shí)操作難度較大；二是不能隨著天線俯仰角的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)饋源位置，天線俯仰的范圍為5°～90°，由于天線自重變形，饋源對(duì)應(yīng)的位置也須實(shí)時(shí)修正。下一步將針對(duì)以上不足進(jìn)行改進(jìn)，完善系統(tǒng)。主要的改進(jìn)措施是，統(tǒng)計(jì)在使用過(guò)程中3個(gè)頻段饋源的位置與天線俯仰角的關(guān)系，得出修正系數(shù)，以在換饋系統(tǒng)控制單元中實(shí)時(shí)修正饋源位置命令。