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SKA低频射电望远镜试验阵结构设计研究

摘要:平方公里阵SKA(SquareKilometerArray)是计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,致力于回答宇宙起源和星系演化等问题。以低频孔径阵列天线试验阵为研究对象,对SKA高性能轻型天线结构与工艺进行优化设计并详细阐述,实现了天线单元结构紧凑、装配简便。
 
关键词:平方公里阵;太阳能;辐射振子
 
平方公里阵SKA(SquareKilometerArray)是计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,致力于回答宇宙起源和星系演化等问题,主要由抛物面天线、中频孔径阵列天线、低频孔径阵列天线组成[1~3]。其中,低频孔径阵列天线通常采用对数周期形式,不仅系统天线数量庞大,而且天线单元结构尺寸较大,这些无疑会增加天线加工、装配及运输成本。因此,如何在保证低频孔径天线电讯性能及结构强度不受影响的前提下,尽可能减小其规模及尺寸已成为研究低频孔径阵列系统的关键内容之一。
 
1天线结构形式
 
SKA低频孔径阵列天线单元是纯金属的双极化回形振子对数周期天线,工作于低频段。研究设计的天线由36个辐射振子、4根馈电杆、1根支撑杆和底座以及2个介质支撑组成,其中支撑杆、底座、馈电杆和辐射杆均为金属材料。因4根馈电杆之间需绝缘,介质支撑需采用非金属材料制成(见图1)。图1辐射振子单元及振子顶端馈电结构布局馈电杆及辐射体回路中,每根馈电杆上从上到下依次连接不断变大的9根辐射振子,形成1组辐射体(见图2),9根辐射振子交错分布于馈电杆的两边,每根辐射振子的面均与馈电杆垂直,且9根辐射振子均在一个平面内要求面精度≤0.5mm,4组完全一样的辐射体围着支撑杆呈90°分布,每组辐射体与支撑杆通过G10绝缘材质支撑架固定,保证两者之间夹角均为8°,误差控制在±5′以内,支撑架安装(见图3)。辐射振子为开口的矩形金属环,开口的两端焊接在馈电杆上。为了保证天线试验阵的电讯性能,满足结构的精度要求,使整个天线结构紧凑、轻便、易于装配,在比较了多种连接方式后,结合使用焊接、螺纹连接、铆接的连接形式实现。
 
1.1辐射振子与馈电杆的焊接
 
每根天线振子由9根尺寸不断变大的辐射振子焊接于一根馈电杆上。辐射振子由直径分别为1.6mm、5mm、8mm的铝棒折弯为矩形框。矩形框辐射振子的长度尺寸最小为83.3mm,最大为777.7mm,宽度尺寸最小为30mm,最大为481.6mm。杆件之间的焊接面很小,要求焊接强度好、变形小、焊缝致密,有些构件尚有气密性的要求,这就需要采用特种焊接技术。
 
1.2支撑杆与介质支撑的连接
 
考虑天线阵最终的天线单元数量可能以万为单位,无论是零部件加工、装配、运输,还是次品率,都需要充分考虑。为简化装配工艺,支撑杆主要采用螺纹连接方式,介质支撑与主杆则为铆接形式,既方便加工又易于运输及阵地组装。
 
2天线结构力学分析
 
有限元分析模型的质量直接影响计算分析工作的成败。将实际的天线结构加以适当简化,恰当地选择单元类型、划分网格,并根据实际的结构状态合理确定边界条件和节点载荷。这里简化为杆单元组成桁架系统。天线的网格划分是将直径较细的馈电杆做梁单元划分,支撑杆与辐射振子,顶端模块的绝缘柱均作壳单元划分。网格数量为54650个,分析了单天线的风载荷作用下,系统的应力应变情况均满足系统强度要求(见图4)。
 
3SKA太阳能电源系统框架
 
SKA天线供电系统主要由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池组成。太阳能电池组件白天接收太阳光辐射能并转化为电能输出,经过充放电控制器储存到蓄电池中,蓄电池通过太阳能控制器为天线负载提供直流12V电源(见图5)。图5天线振子供电系统框图
 
3.1系统设计
 
SKA项目中每只天线单元的功率为1W,工作时间为每天24h,288只天线构成一个基元。如果采用每个基元一套供电设备的形式,电源线引入对天线的传导干扰比较严重。考虑上述问题,SKA分布式发电系统采用一对一供电形式,即每台天线配有一套供电系统。光伏组件的固定板采用Q235钢板折弯而成,安装后组件与地面的距离为0.9m,安装时先将固定板与抱箍用螺栓固定,再将组件置于固定板凹槽内,最后将蓄电池支耳嵌入固定板下方的卡槽内(见图6)。抱箍与固定板不仅能固定光伏组件,还可以增强4个立柱间的稳定性。
 
3.2电磁兼容设计
 
电源MOS管的快速开断会产生强烈的电磁辐射干扰,为避免这一现象,使用模拟电路搭建的太阳能控制器解决以上问题,满足客户需求。电池到天线之间的电缆埋藏在支架的一条撑腿内,利用撑腿进行屏蔽,减少电缆裸露的长度(见表1)。
 
3.3关键技术
 
3.3.1沙漠昼夜温差下对蓄电池寿命和容量的影响蓄电池正常运行的温度是20~40℃,最佳运行温度是25℃。当温度每升高5℃,蓄电池的使用寿命降低10%,且容易发生热失控。澳大利亚珀斯首府属于半沙漠地区,昼夜温差较大,可能会导致蓄电池的电化学反应加快,电解液蒸发快,易损坏极板,同时易产生过充电现象,严重影响了蓄电池的使用寿命[4]。结合澳大利亚珀斯首府地气候的特点,由于珀斯年平均风速为3.3m/s,沙尘流动性较大,而光伏组件上0.004836Kg/m2的灰尘可使其能量转换率降低40%[5]。如何安放蓄电池来减少环境对蓄电池寿命及容量的影响则是首要问题。蓄电池地埋方式、发泡保温箱储存方式对整个天线系统的功能影响都起到了至关重要的作用。通过设计光伏控制器的温度补偿功能,进一步减少热带沙漠气候对蓄电池的影响;通过增加太阳能电池组件的功率容量,减少由于沙尘覆盖对太阳能电源系统的影响,最大限度地保证了天线储能系统的正常工作。3.3.2光伏控制器电磁干扰对天线的影响目前,通用太阳能控制器使用PWM信号快速地控制MOS管通断,从而完成对蓄电池的充电管理。但MOS管的快速开断会产生强烈的电磁辐射干扰,对天线信号影响较大。针对上述情况,重新对太阳能控制器进行设计,使用模拟电路完成控制器的基本功能,避免使用数字电路。这样可以避免MOS管的高频开关和MCU工作时产生的电磁辐射。
 
4结束语
 
以低频孔径阵列天线试验阵为研究对象,设计实现平方公里阵高性能轻型天线结构设计与工艺研究,天线单元结构形式紧凑、装配简便,为国内进行先导天线、相位阵馈源等SKA关键技术试验研究和设计制造经验提供了有效的参照。
 
参考文献:
 
[1]师民祥,白云鹤,刘国玺,等.SKA射电望远镜天线结构建模与系统仿真分析[J].无线电通信技术,2019,45(4):431-436.
 
[2]刘宏,宋建波,王文俊.大射电望远镜FAST[J].中国科学G辑,2005,35(5):446-449.
 
[3]周豪.应用于SKA的射频前端与阵列布局研究[D].合肥:合肥工业大学,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:李杨 金小飞 王兴 单位:安徽三联学院机械工程学院 哈工大机器人(合肥)国际创新研究院
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