全天频谱射电望远镜单锥天线设计与测试.pdfVIP

摘要

21cm信号探测是研究宇宙早期演化揭开宇宙神秘面纱的一把钥匙。“鸿蒙计

划”超长波射电天文观测阵列最终将用于空间探测21cm全天频谱信号。本文针对

“鸿蒙计划”项目第一阶段的地面验证实验系统，开展射电望远镜单锥天线设计与测

试研究。

在全天频谱探测射电天线性能需求分析的基础上，提出了单锥天线的选型设

计；开展了单锥天线电几何参数设计；根据回波损耗（-S11）、3dB波束宽度和最

大辐射方向等技术指标，仿真与优化分析天线电几何参数；确定天线电几何参数后，

进行天线结构设计与样机制作，并在微波暗室测试了单体天线的电性能。测试结果

表明：天线在30-120MHz频段内S11平滑、3dB波束宽度变化量小于3度、最大

辐射方向变化量小于1度、波瓣具备非频变等特点，能满足项目需求。

针对项目地面验证实验中的地面效应问题，开展了天线电性能的地面效应分

析；根据地面实验新疆大红柳峡所在地的地理状况，提出并开展了温纳四极法土壤

电导率和时域反射法（TDR）土壤介电常数的测试方案与测试工作；由土壤测试结

果，建立了天线土壤效应的电磁仿真模型，仿真分析了地面工况下的天线电性能；

开展了天线地面现场的阻抗测试，实测与仿真结果的S11最大误差为0.3dB；针对

地面效应的天线损耗问题，设计并制作地网之后，再次实地测试天线的电性能，实

测与仿真结果的S11最大误差为0.8dB，证实了地网设计有效地改善了天线电性能

的地面效应。

针对地面工作现场环境下射电天线波束测量较为困难的问题，设计并构建了

基于大疆M300Pro无人机测试平台，由信号发射、飞行轨迹规划、信号接收等软

硬件组成的天线波束测试系统；开展了天线波束测量实验，实验结果表明：测试系

统能有效对天线波束测试作业；测试结果在无地网工况下3dB波束宽度与仿真相

差5.64°，最大辐射方向相差0.17度；32根地网工况下3dB波束宽度与仿真相差

11.95°，最大辐射方向相差3.72度，进一步验证了天线与地网设计的准确性。

本文开展的射电天线设计与仿真分析，地面效应分析与土壤参数测量，基于无

人机平台天线波束测量系统构建，天线样机电性能的微波暗室测试及地面工作现

场测试等工作，为“鸿蒙计划”射电天线的工程设计奠定了技术基础，有助于推进

21cm全天频谱信号探测实验的发展。

关键词：21cm信号、射电天线设计、地面效应、波束测量

ABSTRACT

The21cmsignaldetectionisakeytostudytheearlyevolutionoftheuniverseand

unravelthemysteriesoftheuniverse.TheHongMengProjectultra-long-waveradio

astronomicalobservationarraywilleventuallybeusedtodetect21cmglobalspectrum

signals.Inthispaper,wedesignandtestthemonoconeantennaoftheradiotelescope

arrayunitforthegroundverificationexperimentsystemintheproject.

Basedontheanalysisoftheperformancerequirementsoftheglobalspectrum

detectionantenna,theselectiondesignofthemonoconeantennaisproposed;thedesign

oftheelectricgeometricparametersofthemonoconeantennaiscarriedout;the

simulationandoptimizationanalysisoftheelectricgeometricparametersoftheantenna

arecarriedoutaccordingtoth