都世民（Du Shimin）

摘要：本文討論科學(xué)網(wǎng)的一篇精選文章，有關(guān)FAST的天線。因這個(gè)天線是國(guó)家重點(diǎn)工程，對(duì)其有關(guān)介紹，應(yīng)該包括天線電性能。筆者對(duì)這篇文章的問(wèn)題，提出一些看法。

關(guān)鍵詞：FAST，天線，饋源，選址。

引言

 2019-10-19 10:25 ，科學(xué)網(wǎng)發(fā)表一精選文章：“作為天線的FAST”，作者是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，錢磊。作者聲明文章不讓轉(zhuǎn)載，筆者只好給出鏈接如下：

(http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=117333&do=blog&id=1202552)

文章內(nèi)容令人不解！其原因如下：

這篇文章是介紹世界上最大單一口徑、著名的”天眼”射電天文望遠(yuǎn)鏡。這是我國(guó)”十一五”重大科學(xué)工程。天線的結(jié)構(gòu)、電氣、工程都采入新的設(shè)計(jì)方法，采用主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主動(dòng)反射面采用索網(wǎng)柔性結(jié)構(gòu)，反射面為4600塊拼合而成，主動(dòng)變位以滿足型面精度要求。饋源主波束輻照在反射面的口徑為300米。饋源相位中心位于反射面焦點(diǎn)，跨度約有139米，可以實(shí)時(shí)調(diào)整。反射面是瞬時(shí)拋物面，饋源相位中心可以精準(zhǔn)調(diào)整到拋物面的焦點(diǎn)。在天線結(jié)構(gòu)工程測(cè)量中，要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、大跨度、高精度、高效率、非接觸式測(cè)量。這是大型天線結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。然而這一篇精選文章，卻很少涉及這些難點(diǎn)，也不像一個(gè)懂天線的人所寫。作者署名是科學(xué)院國(guó)家天平臺(tái)。對(duì)這一篇文章提出的問(wèn)題作下列討論：

什么是天線？

德國(guó)卡勒休高級(jí)技術(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授赫茲（H.Hertz，1857—1894），為了深測(cè)電磁波的存在，研制了一套收發(fā)裝置，赫茲的收發(fā)裝置使用了天線，實(shí)際上就是最早的天線。而接收器則是最早的“檢波器”。反射面天線也是赫茲發(fā)明的。后來(lái)運(yùn)用到射電天文望遠(yuǎn)鏡上。天線本來(lái)就是收、發(fā)電磁波裝置的前端，因此天線不僅發(fā)射電磁波，也接收電磁波。

FAST是什么意思？它是（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope），英文單詞的詞頭，FAST強(qiáng)調(diào)的是射電望遠(yuǎn)鏡，它離不開天線。它具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。2016年9月21日建 成，工程投資約6.67億人民幣。索網(wǎng)制造與安裝工程也是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程的主要技術(shù)難點(diǎn)之一，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括：超大跨度索網(wǎng)安裝方案設(shè)計(jì)、超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)研制、超高精度索結(jié)構(gòu)制造工藝等。主索索段控制精度須達(dá)到1毫米以內(nèi)，主索節(jié)點(diǎn)的位置精度須達(dá)到5毫米，索構(gòu)件疲勞強(qiáng)度不得低于500MPa。整個(gè)索網(wǎng)共6670根主索、2225個(gè)主索節(jié)點(diǎn)及相同數(shù)量的下拉索。索網(wǎng)總重量約為1300余噸。索網(wǎng)采取主動(dòng)變位的獨(dú)特工作方式。FAST索網(wǎng)是世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。

另外，在天線結(jié)構(gòu)工程測(cè)量中，要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變位型面測(cè)量，它具有多目標(biāo)、大跨度、高精度、高效率、非接觸式測(cè)量，這也是主要技術(shù)難點(diǎn)之一。

1937年，全世界獨(dú)一無(wú)二的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡試制成功。它的天線拋物面直徑為9.45米，工作波長(zhǎng)為1.87米，針狀主波束寬度為12度。

對(duì)天線而言，天線的直徑D與波長(zhǎng) λ的比決定了波束寬度、指向精度、天線增益。FAST工作頻率，從70MHz～3000MHz，在最高頻率，D/ λ=3000。在最低頻率，要縮小近100倍。所以對(duì)這個(gè)天線而言，不能認(rèn)為是“巨眼”。美國(guó)的直徑 305米固定球面﹑工作于厘米和分米波段的射電望遠(yuǎn)鏡。還有一些直徑10米左右的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。1960年，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的馬丁·賴爾（Ryle）利用干涉的原理，發(fā)明了合成孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

天線與FAST是什么關(guān)系？

FAST是射電天文望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樗请姶挪ń邮昭b置，采用的天線外形口徑是500米。FAST的反射面基準(zhǔn)狀態(tài)是一個(gè)球冠面。這個(gè)球面的半徑是300米，切下的口徑是500米。為什么說(shuō)天線有效口徑是300米？這300米不是球面半徑300米。FAST天線系統(tǒng)的饋源有設(shè)定的波束寬度，這個(gè)波束寬度輻照到天線型面上，直徑為300米。該天線系統(tǒng)是接收電磁波，饋源不是光源，不能用光的概念敘述。另外，F(xiàn)AST的天線型面是瞬時(shí)拋物面，它的焦距直直徑比F/D=0.4621。天頂角 40°。

FAST為什么選擇在山區(qū)洼地？

FAST為什么選在貴州的山區(qū)洼地里？FAST系統(tǒng)工作時(shí)，接收的電磁波信號(hào)很微弱，怕周圍環(huán)境的電磁干擾，因此希望選址選在電磁波的靜區(qū)，免受周圍電磁波的干擾；在洼地里，電磁波進(jìn)不去，另外建設(shè)起來(lái)土方量很少。FAST設(shè)置地址要求5公里以內(nèi)，不允許設(shè)置電磁波信號(hào)源。（https://wenku.baidu.com/view/538e1c0f4693daef5ff73d24.html）

FAST天線是什么樣型面？

FAST的天線反射面是一球冠面，作為基準(zhǔn)狀態(tài)。工作時(shí)為瞬時(shí)拋物面，反射面型面與饋源相位中心位置都實(shí)時(shí)可調(diào)。天線反射面是由4,450個(gè)三角形面板拼合而成，12米相似三角形的鋁合金面板，每個(gè)等邊三角形三個(gè)交點(diǎn)孔位置精度保持在0.1-0.15mm。下面有2,225個(gè)絞盤，這可以使反射面的形狀變形。有排水和除冰設(shè)計(jì)。

也就是說(shuō)，F(xiàn)AST的反射面的是一個(gè)球冠面。這個(gè)球冠面的半徑是300米，口徑是500米。

該系統(tǒng)工作頻率范圍寬，是多頻段，一種饋源無(wú)法實(shí)現(xiàn)這么寬的頻帶，如果采用多個(gè)饋源，同時(shí)放置在焦點(diǎn)附近，會(huì)增加天線的饋源重量，影響型面變形和饋源偏焦，影響系統(tǒng)的指向精度。在低的工作頻率的情況下，饋源尺寸也比較大，如果幾個(gè)饋源同時(shí)放在焦點(diǎn)附近，很難保證相位中心都在焦點(diǎn)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有介紹。實(shí)際上饋源相位中心不是一個(gè)點(diǎn)，應(yīng)該測(cè)量多極化面的相位中心，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很困難，所以只能考慮主平面相位中心，放置在焦點(diǎn)。

FAST天線口徑是500米還是300米？

FAST天線饋源照射到反射面的瞬時(shí)拋物面區(qū)域是有效口徑，它的直徑是300米。不是500米。饋源照射到反射面的瞬時(shí)拋物面區(qū)域是由電氣設(shè)計(jì)決定，選定饋源的波束寬度，測(cè)定饋源相位中心，才能確定照射到反射面的夾角，夾角內(nèi)是有效照射面積。這里不能用光的思路和概念討論這一問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)不單純是幾何關(guān)系，還有物理光學(xué)和幾何繞射的理論。

FAST天線反射面型面的精度

反射面型面要滿足電氣設(shè)計(jì)的需要，達(dá)到所要求的精度。FAST系統(tǒng)最高工作頻率是3GHz，要求天線型面精度為5毫米。約為工作波長(zhǎng)的1/20。天線型面測(cè)量精度為2毫米。饋源控制精度為10毫米，要求測(cè)量精度為為5毫米。對(duì)天線型面變形測(cè)量要求1-2min。測(cè)量要求全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)化、智能化。用10余個(gè)毫米級(jí)精度基準(zhǔn)站組成的測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)。通過(guò)9個(gè)近景測(cè)量基站，對(duì)反射面型面實(shí)時(shí)掃描。

應(yīng)當(dāng)指出的是，這里沒(méi)有指明天線反射面型面公差，是最大值還是均方根值？在南仁東指導(dǎo)的研究生報(bào)告中也沒(méi)有說(shuō)明。應(yīng)該指明是均方根值型面公差。

（https://www.doc88.com/p-5179896454351.html）

FAST反射面的基準(zhǔn)形狀是球面。為什么要實(shí)現(xiàn)拋物面型面？因?yàn)轲佋摧椛涞氖乔蛎娌?，為了得到針狀波束，就需要將球面波變成平面波，那么反射面必須是聚集拋物面，在多波段的情況下，為了節(jié)省成本，天線型面不變，只改變饋源，這是比較好的方案。FAST饋源放在直徑10米左右的饋源艙內(nèi)，在饋源艙內(nèi)安裝Stewart平臺(tái)（精調(diào)并聯(lián)機(jī)器人）用于二級(jí)調(diào)整；制造兩級(jí)調(diào)整機(jī)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，輔助調(diào)整饋源艙的姿態(tài)角。利用激光跟蹤儀及激光跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)饋源艙實(shí)時(shí)反饋的控制。

筆者至今沒(méi)有找到有關(guān)電氣設(shè)計(jì)的介紹，已有的介紹也不完整，重點(diǎn)不突出，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹的很詳細(xì)。