暗能量探测天线阵结构及其电性能研究

摘要

暗能量问题是当前自然科学研究的热点，随着宇宙学研究的深入，科学家们提出利用射电观测技术，对宇宙大尺度结构进行精密观测和描绘，通过测定其空间功率谱中的重子声学振荡特征来确认暗能量的性质或状态方程式，从而实现暗能量的探测研究。本文根据中国科学院国家天文台提出的“天籁计划”需求，设计一种小规模暗能量探测实验专用的天线阵列，并进行电性能分析。
　　论文首先分析了目前国内外的综合孔径射电望远镜阵列研究现状，探讨了暗能量探测所需的天线阵分辨率和灵敏度，指出现有的射电望远镜视场较小，且难以在合理的时间内实现天区大面积巡天和高灵敏度观测，而暂时无法进行暗能量观测的缺点。并根据R. Ansari等对暗能量探测的阵型分析，阐述了“天籁计划”小规模实验所需的天线阵规模和技术指标，即3组40?15m的天线阵列。
　　然后，对比分析了两种不同阵列形式的实验模型的优缺点，提出了一种由抛物柱面天线单元组成的天线阵列初始方案，建立了天线的三维有限元模型，并用 MSC.Patran/Nastran有限元软件进行静力学和模态分析，结果表明初始方案在各工况下的形变小、应力情况良好，但结构刚度裕量较大、馈源支撑架的谐振频率偏小。为此，进行天线阵结构优化设计及结构拓扑选优，获得了最优结构方案，使天线阵结构总重量控制在17吨以内，自振频率达到5.5Hz。在馈源支撑架的结构设计与分析中，提出了立柱式和人字撑杆式结构方案，力学分析表明人字撑杆式结构具有最佳性能。随后详细设计了天线反射面、背架、支撑架、馈源支撑架、滑动机构和调整机构等。用 HFSS等电磁场软件分别对初始宽频带馈源和改进后的两种馈源结构方案进行电性能分析，运用 GRASP软件对抛物柱面天线进行增益和方向图等估算，结果表明天线增益在23.3~28dBi之间，满足指标要求。
　　最后阐述了天线阵的基础结构，探讨了天线基础、支撑架、反射面及馈源支撑架的安装过程和安装精度检测手段与方法。
　　本文所提出的单元抛物柱面天线结构及天线阵列方案，符合“天籁计划”的需求，为项目的进一步开展，奠定了一个坚实的基础，也对其它类似项目提供了一个良好的借鉴作用。

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1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 射电望远镜阵列研究与应用现状

1.3 暗能量射电探测与“天籁计划”

1.4 天籁计划天线阵阵型研究现状

1.5 主要研究内容

2天线阵结构设计基础

2.1 综合孔径技术

2.2 对称柱形网状反射面试验模型

2.3非对称抛物柱面天线实验模型

2.4小结

3天线阵结构设计与优化

3.1 天线结构设计

3.2 天线结构力学仿真计算与分析

3.3 天线结构优化设计

3.4 本章小结

4天线阵电性能分析与测试研究

4.1抛物柱面天线专用宽带馈源优化设计

4.2 抛物柱面天线整体电性能仿真分析

4.3 本章小结

5天线阵安装与调试

5.1 天线基础设计与建设

5.2 天线反射面撑架安装与调试

5.3 天线反射面安装与调试

5.4 天线馈源架安装与调试

5.5 工艺保障措施

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要工作与总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读期间发表的学术论文及参加的科研项目