王 凯，陈卯蒸，马 军，宁云炜，曹 亮，闫 浩，李 健，段雪峰，项斌斌

(1.中国科学院 新疆天文台，乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 射电天文重点实验室，南京 210033；3.新疆微波技术重点实验室，乌鲁木齐 830011)

1 引言

射电望远镜可以利用其高灵敏度及分辨率对微弱的射电源进行观测，但由于望远镜的波束宽度有限，在相应天区形成的波束立体角非常小，对于需要开展大范围的巡天观测仍需要花费较多时间。改善上述情况最佳的方式就是增加望远镜的视场[1]。对于传统单波束接收机来说(如图1 所示)，射电望远镜的视场Fov表示为：

图1 射电望远镜的视场

其中，θAz为水平方向上半功率波束宽度，θEl为垂直方向上半功率波束宽度，Ω为射电望远镜的波束立体角。

假设一次巡天观测需完成对立体角为Ωtol的扫描观测，完成该区域的扫描所需要花费总的时间ttol可表示为[2]：

其中，k为玻尔兹曼常数，t为一次观测的积分时间，B为观测带宽，Ae为射电望远镜的有效面积，Tsys为系统的噪声温度。

对于传统单波束接收机来说，整个望远镜系统的巡天速度Ss表示为[3]：

一个简便的增加射电望远镜视场的方法，是在现有的反射镜望远镜的焦平面上放置多个馈源，组成焦平面阵列，即多波束技术[4]。这种方法现已广泛应用于射电天文接收机系统中，其工作频段可达亚毫米波段。那么，对于具有N个相同波束的多波束接收机来说，整个望远镜系统的巡天速度可表示为：

从公式(4)可以看出，对于具备多波束接收机的射电望远镜来说，其巡天速度与观测的波束数量成正比，因此，采取多波束技术是提高射电望远镜巡天速度最有效的方法。

2 多波束接收机

与传统单波束相比，多波束接收机可以实现焦面场上多个阵列接收机同时工作[5]。根据系统组成不同，多波束接收机包含焦平面阵列馈源和相控阵列馈源两种形式。

2.1 焦平面阵列

焦平面阵列馈源的概念最早起源于光学和红外波段上使用的功率探测器以及辐射计应用，包括卫星地面站所使用的双馈源或者4 馈源系统。1975 年，Condon 首次在美国Arecibo球面望远镜上探索使用多波束接收机。1983 年，荷兰的Arnold van Ardenne 开始了多波束毫米波接收机的研究工作。1987 年，美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory,NRAO)开始研制5.85 GHz 的7 波束接收机，并安装于Green Bank 300 ft 天线上开展测试，之后将其运至澳大利亚Parkes 64 m 天线上进行巡天测试。1987 年，Arnold van Ardenne 开始为麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)研制350 GHz阵列接收机。1988 年，NRAO 研制的基于肖特基混频器的8 波束230 GHz 接收机问世。上述发展历程只能作为多波束接收机的样机研制阶段，1997 年初，澳大利亚Parkes 64 m 射电望远镜成功安装了13 波束接收机(21 cm 波段)[6]，这才是世界范围内真正意义上的第一台实用型多波束接收机，主要用于开展HI 及脉冲星巡天观测，13 波束接收机如图2 所示。2005 年，一个同样版本的13 波束L 波段接收机被安装于Arecibo 望远镜上。随后，德国Effelsberg 及美国绿岸射电望远镜(Green Bank Telescope,GBT)都相继装备了多波束接收机。

图2 澳大利亚Parkes 13 波束接收机

国内方面，中国科学院紫金山天文台在德林哈13.7 m 射电望远镜上装备的9 波束接收机是国内第一台自研的多波束接收机系统[7]，其工作频率为85～115 GHz，主要用于分子谱线观测，见图3 a)。中国科学院国家天文台(简称国家台)的500 m 口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)作为世界上最大的单口径射电望远镜，目前已成功安装澳大利亚研制的19 波束L 波段接收机[8]，该接收机具备19 波束双极化输出，工作频率为1 050～1 450 MHz，采用喇叭馈源设计，馈源后级连接正交模耦合器及HEMT 低噪声放大器(工作在20 K 低温环境)，如图3 b)所示。中国科学院上海天文台(简称上海台)天马65 m 望远镜已装配3 台双波束接收机，分别为K,Ka,Q 波段接收机，目前正在研制7 波束K 波段接收机。

图3 德令哈13.7 m 天线9 波束与FAST 19 波束接收机

对于多波束接收机来说，每个波束单元均是一个性能良好的馈源，各单元相互独立，使用该技术可以大幅提高巡天观测效率。但由于良好的波束照明需要足够直径的馈源，而相邻馈源间由于其物理尺寸限制，每个馈源经望远镜形成的波束在天区上被分开，从而使得视场不够连续，不能形成连续的天区覆盖[9]。

2.2 相控阵馈源

相控阵馈源(phased array feed,PAF)是近些年一项热门的接收机技术，它是利用反射面望远镜结合波束合成技术在天空形成多个连续波束的新的焦平面阵列。PAF 一般在射电望远镜的焦平面上以矩形、六边形等方式排布电小天线单元阵列，通过波束合成对各个阵元施加不同的激励，调控各个阵元的幅度与相位，实际就是焦平面上一个小型的相控阵天线。天线的相位中心紧密相邻，波束相互重叠，从而能够对焦平面区域进行完全采样，提供连续视场以提高巡天效率，解决了传统多波束接收机因馈源相互分立而不能实现真正意义上的连续大视场的问题[10]。

对于射电望远镜PAF 接收机系统来说，波束合成作为一项关键技术将会直接影响整个PAF 系统的灵敏度、系统噪声及观测效率。对于一个PAF 接收机来说，假设接收的信号为一个平面波，每个阵元天线的信号输出z(t)可以定义为：

其中，s(t)表示为在中心频率为Ω0的一个带通信号，a(θ)为方向向量，其取决于Ω0和方向仰角θ，sb(t)为基带包络。

对于具有M个阵元的多路信号而言，z(t)可以表示为：

波束合成就是通过赋权调整合成波束中各个阵元的输出以调控s(t)[11]，表示为：

其中，波束合成权向量为w=[w1,...,wM]T，阵列中第i个阵元在整个合成波束中被赋权的权值wi表示为：

其中，τ为时间延迟。

从PAF 发展历程来说，早在1982 年NRAO 技术讨论会上，Weinreb 就首次提出使用PAF 进行天线面型修正。1988 年，Cornwell 和Napier 出版了焦平面相干理论，以纠正像差、畸变等，并提出PAF 可以放置在焦平面上以用作小型相控阵。1993 年，澳大利亚Parkes 64 m 天线考虑过PAF 设计方案，但又被Trevor Bird 和GeoffPoulton 提出的多馈源机载卫星所用的多波束方案所代替。1995 年，在NRAO 召开的射电望远镜多馈源系统会议上，Rick Fisher 提出PAF 阵元设计。2004 年，为开展平方公里阵(square kilometre array,SKA)巡天，SKA 欧洲委员会提议使用PAF 进行观测。2006 年，澳大利亚提议为ASKAP使用PAF 接收机[12]。图4 为SKA 部分参与机构携其PAF 样机齐聚澳大利亚。

图4 SKA 部分参与机构设计的PAF 样机

3 相控阵馈源接收机发展现状

虽然相控阵馈源技术已广泛应用于卫星、通信等领域，但由于射电天文的应用背景和需求与上述领域存在明显差异，将其应用于射电天文观测还需要开展大量实践工作。为此，国际射电天文界一直都在进行相控阵馈源技术相关的理论和实践研究。国外开展PAF 相关工作的国家主要有美国、荷兰、加拿大和澳大利亚。在国内，上海台为天马65 m 望远镜已开展PAF 相关的研究工作，国家台FAST 技术团队及国内相关科研院所已开展L 波段相控阵馈源的研发，国内SKA 团队也在积极参与SKA 相控阵馈源工作包，主要用于开展SKA 射频前端的预先研究。

3.1 国外发展现状

3.1.1 美国

20 世纪90 年代末，美国即开始PAF 的研发工作。1996 年，美国NRAO 的一个研究团队设计了一款概念验证式全采样PAF 接收机，该接收机由19 个正弦天线单元组成，以0.7倍波长的阵元间距六边形排布，工作频率在1.4 GHz[13]。2000 年，该PAF 的第一版常温样机研制完成，并在绿岸(Green Bank,GB)的43 m 天线上进行波束合成和望远镜校准方法测试，如图5 所示。

图5 NRAO 安装于43 m 天线上的第一版PAF 样机

NRAO 的研究重点是针对大型单面板射电望远镜(GBT)开展制冷PAF 研制。与非制冷PAF 相比，制冷PAF 具备更高的灵敏度和更低的系统噪声温度。在上述第一版19 阵子常温PAF 样机的基础上，NRAO 和杨百翰大学(Brigham Young University,BYU)开展合作，一直在不断进行19 阵子制冷PAF 设计工作。如图6 所示，从左至右分别为2007 年薄偶极子(dipoles)PAF 样机[14]、2010 年阻抗优化的厚偶极子PAF 样机[15]、2015 年使用SiGe低噪声放大器的双极化偶极子GBT 1 版PAF 样机[16]，以及2016 年由BYU 最终优化后的、采用制冷低噪放的双极化偶极子GBT 2 版PAF 实用型接收机[17]。

图6 NRAO 四版19 阵元PAF

2016 年最终采用的双极化偶极子的PAF 接收机也被称为GBT 焦平面阵列(focal Lband array for GBT,FLAG)，主要包括PAF 前端、光传系统以及数字终端。其中PAF 前端系统主要包括前端-模拟子系统、PAF 阵列和LNA 等；光传系统主要由数字化仪，光纤链路，多相滤波器组(频率、通道)组成；数字终端主要用于实现相关、波束合成、数据格式规范，以及磁盘存储功能。

从FLAG 阵元设计上来说，虽然上述4 版PAF 样机的阵子均采用偶极子天线设计，但前后就有7 个设计版本，足以见证PAF 从概念设计到投入实践应用所经历的漫长过程。如图7 所示，FLAG 阵子从最早的单极化到双极化，从细瓣到粗瓣(有助于表面电流传导)，从单独阵子到阵子与LNA 结合设计(以此缩减传输链路以减小损耗)，最终还需考虑LNA 制冷及相应的隔热设计。

图7 FLAG 多版阵子优化设计

杨百翰大学在实验室自行搭建的小型暗室(见图8)，用以开展独立阵子的天线性能测试。可以看到GBT 2 版阵子在内侧顶端，其余位置为吸波材料。以此，可以在实验室内开展阵子的S 参数测量。

图8 GBT 2 版阵子S 参数测量环境

FLAG 采用的双极化偶极子结合低噪声放大器设计(见图9)，最终输出两路放大后的信号。这种结构设计的优点在于，缩减了阵子与低噪放之间的链路损耗，而且方便进行制冷设计，最终测试结果显示低噪放增益在带内可以达到35 dB 以上，噪声温度低于6 K[18,19]。

图9 LNA 电路及其与阵子集成设计

FLAG 的终端开发主要由NRAO 协同BYU 与西弗吉尼亚大学合作开发，该终端设备开发是基于混合现场可编程门阵列和图形处理单元技术的宽带实时信号处理后端。图10 给出相关器和波束合成器所组成的FLAG 数字终端。

图10 FLAG 数字终端系统

FLAG 采用阵元复用方式，在19 个阵子中由7 个相邻阵子合成1 个波束。FLAG 采用最大信噪比波束合成方式，在1 404 MHz 观测3C295 瞬时形成的7 个合成波束方向图(见图11 a))，图11 b)为整个视场范围内的FLAG 灵敏度观测结果，右侧单位为m2·K−1。

图11 FLAG 波束合成方向图及灵敏度

3.1.2 荷兰

SKA 是由全球20 个国家67 个科研机构的天文学家和工程师参与建设的、世界上最大的综合孔径射电望远镜项目。SKA 拟建设低频孔径阵列、中频孔径阵列和中频反射面天线阵列三种接收天线阵列，接收面积达到1×106m2量级，频率覆盖70 MHz～20 GHz。自1993 年SKA 被提出，SKA 参与国及其研究机构在SKA 发起、选址、工程概念及技术研发等方面均开展了大量的工作。根据规划，每台SKA 反射面天线将配备5 个单波束馈源以获得高的单波束灵敏度，或3 个相控阵馈源以获得大视场观测能力，从而使SKA 在灵敏度和巡天效率方面比现有射电望远镜大幅提高[20]。可以说SKA 项目是相控阵馈源接收机在射电天文领域应用的重要推手[21]。

2002 年，在SKA 射电天文欧洲委员会项目的合作伙伴专注于多波束技术时，荷兰作为SKA 成员国之一，其荷兰射电天文研究所(Netherlands Institute for Radio Astronomy,ASTRON)则已经开始研发更具挑战性的致密相控阵馈源接收机。ASTRON 为射电天文焦平面阵列(focal-plane arrays for radio astronomy:design,access and yield,FARADAY)项目设计的第一款PAF 样机[22]，工作带宽为2～5 GHz，由112 个Vivaldi 天线单元组成，13个阵元可以通过模拟波束合成器合成一个波束，并在韦斯特堡综合射电望远镜(Westerbork synthesis radio telescope,WSRT)上得到了验证。但由于FARADAY 设计中使用了常温低噪声放大器(非制冷)，这使得最初的样机并没有达到与传统喇叭馈源相当的接收机噪声性能，但是PAF 技术的应用很大程度提升了望远镜的效率和视场，这些性能指标的提升在当时很好地激发技术人员参与到PAF 的研发中去。图12 为2005 年在WSRT 25 m 天线上安装常温PAF 样机进行测试的现场照片。ASTRON 在WSRT 的测试结果证明，与传统的单波束馈源喇叭相比，致密型PAF 在宽频带上具备提供更高天线效率的潜力。

图12 安装于WSRT 的FARADAY 常温PAF

而上述FARADAY 项目的PAF 样机仅作为SKA 欧洲委员会射频网相控阵(radioNet phased arrays for reflector observing systems,PHAROS)工程的预研部分，之后ASTRON联合PHAROS 工程合作伙伴(英国、意大利、波兰和澳大利亚)进一步推进制冷PAF 的研制工作[23,24]。2006 年，ASTRON 为PHAROS 工程研制了第一版低温制冷PAF 样机，该样机由144 个Vivaldi 天线作为阵元，其工作带宽4～8 GHz，经波束合成后可瞬时形成四个交叠的波束，低噪声放大器工作在20 K 的低温环境。ASTRON 为PHAROS 工程研制的制冷PAF 样机，如图13 所示，a)为PAF 阵列，b)为低温杜瓦内部结构，c)为杜瓦安装完毕后的制冷PAF。该制冷样机之后被运至英国曼彻斯特的德雷尔班克天文台(Jodrell Bank Observatory,JBO)并进行了相关的测试工作。

图13 PHAROS 工程的第一版制冷PAF 样机

2008 年，ASTRON 开始为WSRT 的综合孔径项目(aperture tile in focus,APERTIF)开发实用型PAF 接收机[25]。该PAF 工作频率为1.13～1.75 GHz，由121 个Vivaldi 天线阵元组成(见图14 a))，阵列面积约为80×80 cm2，采用的室温低噪声放大器连接到每个阵元天线上(见图14 b))，以放大接收信号并过滤带外干扰，放大的信号通过同轴射频电缆传输到每个天线外，再经进一步放大、滤波并转换到中频信号(400～800 MHz)，后经8 bit 及0.8 模数转换器数字化后被分割成512 个子带，其中384 个子带被用于波束合成(300 MHz带宽)，经波束合成后的信号被传送至20 KHz 的频率通道中进行相关处理，然后对相关后的数据进行临时存储；上述过程为PAF 实时处理部分，而在离线处理中主要开展干扰信号的检测和移除以及自校准，最后将标定后的数据成图并保存[26]。APERTIF 项目PAF 接收机之后被成功安装于WSRT 12 个25 m 天线上(见图14 c))，系统温度70 K，孔径效率75%，双线极化输出，成功实现了数字波束合成方法并取得了初步结果，瞬时波束可以达到37 个双极化，视场为8 平方度。该项目最终于2014 年底通过验收，并逐渐进入推广阶段[27]。

图14 APERTIF 项目研制的实用型PAF 接收机

图15 a)为WSRT 安装APERTIF 项目研制的实用型PAF 接收机后单面板天线灵敏度，图15 b)为MFFE 和APERTIF 系统灵敏度比对，从图中可见，虽然APERTIF 的单面板灵敏度略低，但是在带内波动明显好于MFFE，更为平坦，非常适合宽带校准。

图15 APERTIF 系统灵敏度及其带内比对结果

目前，荷兰ASTRON 正联合意大利国家天体物理研究所、英国曼彻斯特大学、马耳他大学和查尔默斯大学(瑞典)开展PHAROS 2 项目的PAF 样机研发工作。PHAROS 2 项目作为PHAROS 的升级版，研制目标是一款工作在4～8 GHz、具备数字波束形成的低温制冷PAF，该设备将会作为SKA 优先仪器PAF 研发项目进行开发[28,29]。PHAROS 2 拟安装在英国76 m 射电望远镜主焦位置开展技术和科学验证。

3.1.3 加拿大

作为SKA 成员国之一，加拿大的射电天体物理天文台(Dominion Radio Astrophysical Observatory,DRAO) 在相控阵馈源方面也进行了大量的研究工作，其主要包括相控阵样机(phased array demonstrator,PHAD)[30]和焦平面阵列样机(advanced focal array demonstrator,AFAD)项目[31]。

2009 年，DRAO 开展首台具有离线数字波束合成能力PAF 样机(PHAD) 的工程实践，主要用于有关校准和波束合成、效率和系统噪声优化等方面，并未直接应用于天文研究，因此在系统温度、波束合成及处理带宽等方面可有一定妥协。该PHAD 工作频率为1～2 GHz，由180 个Vivaldi 天线组成双极化阵列，阵元间距为波长的一半，每一个天线单元之后对应连接一个LNA，阵列尺寸为0.76×0.76 m2。图16 a)为PHAD 阵列及其数字信号处理器和数据记录系统，b)为PHAD 使用的、在低损耗微波印刷电路板材料上制造的Vivaldi 天线[32]。PHAD 选择Vivaldi 作为阵元，是因为其具有宽带特性且具备较好的辐射效率，而且较为适合致密阵排布[33]。作为PAF 样机，PHAD 暂时采取离线方式进行波束合成。

图16 PHAD 系统样机及其Vivaldi 阵元天线

之后，DRAO 将PHAD 样机安装在10 m 反射面天线MkII 上并进行了测试。该天线同样是DRAO 于2008 年为SKA 研制的，并由碳纤维增强复合材料制成，采取整体成型技术。其也是继2007 年DRAO 建造第一版天线MkI 后的改良版，重量仅为1 000 kg，主要目的是用于开展PHAD 的相关测试[34]。图17 为10 m MkII 天线及其上安装的PAF 样机。

图17 MkII 天线及其上安装的PHAD

2011 年，在PHAD 样机的基础上，DRAO 开始研制下一版AFAD，它是一种符合射电天文观测灵敏度和带宽指标的PAF 样机。AFAD 工作频率为0.7～1.5 GHz，阵元间距为10 cm(波长/2 @1.5 GHz)，双线极化输出，处理带宽为0.5 GHz，阵列尺寸小于1×1 m2，初步设计由128 个Vivaldi 阵元组成。频率选择范围主要考虑覆盖HI 线在1.42 GHz 的高频端并向下延伸以观察氢线红移。此外，也希望可以使用AFAD 开展偏振观测。由于受普通10 G 光纤链路数据速率限制，AFAD 只有部分阵元信号数字化后被传输到波束合成网络[35]。在天线阵子与低噪声放大器集成设计中，前一版的PHAD 由于低噪声放大器位于距Vivaldi阵元馈电点几厘米的地方，加之PHAD 工作于室温下，较长传输线损耗导致系统温度显著升高。AFAD 的设计将低噪声放大器尽可能靠近Vivaldi 阵元馈电点，从而降低传输线损耗，并且通过增加Vivaldi 阵元的厚度(用5 mm 厚的固体金属制造元件而不是印刷电路板或厚度小于1 mm 的金属板)，从而增加电流流过的表面积，且以此减少开槽线损耗。另外，这种增加Vivaldi 阵元的厚度，可以允许LNA 嵌入其中，并提供良好的电磁屏蔽，如图18 a)所示，这也是DRAO 第一次尝试在一个已知Vivaldi 阵元内集成LNA[36]。图18 b)是41 个阵子的PHAD 样机，起初低噪声放大器用的均是Avago LNA ICs，之后将阵列中间9 个阵子连接的低噪放更换成CMOS LNA(来自Calgary 大学)而实现了更好的结果[37–39]。

图18 Vivaldi 阵元内嵌LNA 设计及41 阵元样机

之后，DRAO 继续优化AFAD 样机阵列尺寸，以获取更高的接收机灵敏度，包括将之前的模拟波束合成方式过度为数字波束合成网络，并希望可以应用于实际天文观测。DRAO第二阶段AFAD 样机计划实现88 个改进后的Vivaldi 阵子，所有的阵子均内嵌CMOS 低噪放并采用数字波束合成技术，拟装备在DVA-1 天线(见图19 a))、在1.5 GHz 观测频率形成3×3 个波束。该AFAD 样机在实际测试中，由于静电导致部分阵子在装配时被毁坏，故此最终安装的PAF样机为60 阵元的Vivaldi 天线阵列，其中30 个Vivaldi 天线连接CMOS 低噪放，另外30 个Vivaldi 天线连接GaAs 低噪放(见图19 b))。

图19 DVA-1 天线及60 阵元AFAD 样机

由于常温PAF 噪声温度偏高，很大程度上影响其广泛应用。2017 年，DRAO 又开始进行2.8～5.18 GHz 的全制冷PAF 样机(cryoPAF4)研制。该PAF 样机为双线极化设计，由140 个Vivaldi 天线阵元及其后级低噪声放大器组成，阵元天线及低噪声放大器全部制冷，接收机噪声温度预估为11 K(见图20 a))。整个阵列位于直径480 mm 的圆柱形杜瓦瓶中，杜瓦瓶上覆盖有射频透明真空窗(见图20 b))。在每个金属Vivaldi 天线元件内集成了一个宽带两段同轴馈线(见图20 c))，以承受低温环境，并提供50 Ω 的阻抗，以连接到阵列天线的后级部分。cryoPAF4 设计的数字波束合成网络，可执行数字化、频带选择、波束合成和阵列校准等功能。DRAO 拟将cryoPAF4 应用于15 m 格里高利双反射镜望远镜上，可形成18 个连续交叠的波束，与具有相同系统温度的传统单波束接收机相比，视场预计可增加8 倍。

图20 DRAO 正在研制的cryoPAF4

3.1.4 澳大利亚

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Science and Industrial Research Organization,CSIRO)的澳大利亚国家射电望远镜中心(Australia Telescope National Facility,ATNF)一直在积极探索扩大射电望远镜视场的技术与方法，这其中包括现有Parkes 64 m 射电望远镜中的13 波束L 波段接收机和SKA 提出的大数量、小口径(large-number,small-diameter,LNSD)方案中的相控阵馈源。

作为SKA 的发起国之一，澳大利亚一直致力于SKA 的研发工作，是LNSD 方案的代表国家。2007 年，澳大利亚ATNF 开始了一项名为澳大利亚SKA 先导项目(Australian SKA pathfinder,ASKAP)，由澳大利亚CSIRO 协同国际合作者共同开发，其中包括加拿大、荷兰和德国。ASKAP 作为SKA 先导单元，计划安装36 个12 m 抛物面天线，每台天线上配备0.7～1.8 GHz 相控阵馈源接收机进行观测，台址部署在西澳大利亚内陆地区一个新的无线电保护区。ASKAP 建成后将成为世界上最快的谱线巡天观测设备[40]。

ASKAP 上装配的相控阵馈源是该项目研制的核心装置。ASKAP 第一版PAF(MkI)选择的结构是一个5×4 单元双极化棋盘式阵列，阵列天线设计在一个薄的电介质片上，由一个棋盘形的方形导电片印刷电路板组成(见图21 a))。整个PAF 前端由印刷电路板、泡沫和接地板组成(见图21 b))，以此形成一个坚固且易于制造的设计结构[41,42]，阵列后级采用室温差分低噪声放大器。该项工作补充了荷兰ASTRON 和加拿大DRAO 的基于Vivaldi 阵元的PAF 研制工作。2012 年，ASKAP 第一版PAF 样机被安装于西澳大利亚默奇森射电天文观测站(Murchison Radio-astronomy Observatory,MRO)现场，如图21 c)所示，经12 m天线安装并测试后，该Mk I 原型样机已成功实现大约30 平方度的视场。

图21 ASKAP 第一版棋盘式PAF 及其安装的12 m 天线

2012 年，澳方开启ASKAP 第二阶段相控阵馈源样机(MarkII)的研制[43]。该MarkII馈源阵列由94×2 个贴片偶极子单元组成188 阵元，采用“自互补棋盘式”排列形式，工作频段为700～1 800 MHz，系统瞬时带宽300 MHz，采用数字波束合成技术[44]，大约可形成30 个波束，在1.4 GHz 生成30 平方度的视场，允许巡天和深空探测[45]。该PAF 样机于2015 年研制完成(见图22 a))[46]，并于同年年底安装于ASKAP 的12 m 天线上并开展测试工作(见图22 b))。该MkII PAF 样机使用RFoF 方式，将所有阵列射频信号经光纤传输至中央大楼，以此大大降低位于天线基座下方的电子设备及支撑系统的复杂性，但该方式也会产生大量的数据，数据传输速率每个天线约2 Tb/s[47,48]。

图22 MkII PAF 样机及安装的12 m 天线

在澳大利亚CSIRO 研制MarkII 的同时，德国马普射电所为ASKAP 第二阶段也在开展188 阵子Mk II PAF 样机的研制工作。2016 年，由德国马普射电天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy,MPIfR)研制的PAF 样机首次安装于澳大利亚64 m Parks 射电望远镜并开展调试[49]，如图23 a)所示。该样机系统设计工作频率为0.8～1.74 GHz，预计波束合成后的噪声温度在45 K 到60 K 之间，孔径效率在70%～80%之间，有效视场在1 310 MHz 时为1.4 deg2。在澳大利亚Parkes 64 m 天线上进行了6 个月的试验观测后，该PAF 样机又被安装在德国Effelsberg 100 m 天线上开展试观测，上述工作也是天文学家在大型单面板射电望远镜上使用PAF 开展科学观测的首次经历。考虑到在Parkes 和Effelsberg观测可能会受到来自移动电话和数字电视信号的干扰，MPIfR 版Mk II PAF 样机配备了更窄的采样滤波器，接收频率缩减至1.2～1.75 GHz。在Parkes 64 m 天线端，MPIfR 版Mk II PAF 样机在1 310 MHz 采用最大灵敏度波束合成算法在整个视场上采用归一化的灵敏度，如图23 b)所示。

图23 Parkes 上安装MPIfR 版MkII 及灵敏度测试结果

上述MkII PAF 样机在大型单面板望远镜上的成功测试，使得CSIRO 开始考虑将实用型PAF 接收机应用于大型单面板望远镜上，如Parkes 64 m 射电望远镜，期望可以实现在2～3 倍频程带宽范围内实现高灵敏度，且能够在几个波束宽度的视场内实现电扫描。在此需求下，CSIRO 于2016 年开始研究一版基于类似火箭型的圆锥旋转体阵元(Vivaldi 天线的优化版)组成的PAF 阵列(Mk-III PAF)[50]。该阵列采用5×4 方形结构(见图24 a))，双极化输出，每个极化在E 面上有5 个端口，沿H 面有4 个端口，考虑到低频的射频干扰，频率范围可优化扩展到600～1 800 MHz。当前版本设计仍为常温PAF，如果为低温制冷设计，该PAF接收机噪声温度可达15～20 K。Mk-III PAF样机于2016年5月安装于Parkes 64 m 天线上(见图24 b))，测试人员使用斩波轮法测试接收机的噪声温度，采取最大信噪比的波束合成算法测试系统温度。Mk-III PAF 样机的波束合成网络(见图24 c))采用无源、宽带、等振幅、等延迟、单极化设计，最终输出为一路合成后的信号[51]。这种模拟波束形成器结构简单，易于表征，性能稳定，非常适合PAF 研制期间开展测试。在Mk-III PAF 样机研制成功后，分别使用模拟和数字两种波束合成器在Parkes 64 m 天线上进行了比对测试，并与仿真结果进行了对比，用模拟波束形成法测量的系统噪声温度与仿真模拟结果非常一致，令人鼓舞。虽然该模拟波束形成器的简单性、极易测量结果和质量，使其成为PAF 孔径阵列测试不可或缺的工具，但在ASKAP 测试发现模拟波束合成器的实时性相对较慢，在综合孔径中应用仍有弊端。

图24 MkIII PAF 样机、64 m 天线安装及模拟波束合成器

2019 年，澳大利亚CSIRO 开始为Parkes 64 m 射电望远镜设计600～1 950 MHz 的98阵元/196 通道低温制冷PAF 样机，PAF 模型如图25 所示。该PAF 阵列包括间距为80 mm的火箭形状的阵元天线，并将Mk-III PAF 样机版本的火箭型阵子进行优化以匹配低噪声放大器并提高波束合成效率。鉴于Parkes 64 m 射电望远镜台址受观测波段低频端外部射频干扰影响严重，因此在制冷PAF 设计时将添加一个阶跃滤波器，以抑制外部RFI并避免接收机饱和，同时以稍微升高系统噪声温度为代价来进行天文观测。由于射频干扰的影响，该制冷PAF 的典型噪声贡献预计将提升0.5 K(射频干扰带)和1.5 K(全频段)，使用Parkes 64 m 望远镜系统噪声温度预计分别为25 K 和30 K。

图25 CSIRO 正在研制的98 阵元制冷PAF 模型

3.2 国内发展现状

近些年，随着国内大科学装置及前沿科学的驱动，我国在相控阵馈源技术方面也开展了大量的研究工作。上海台依托天马65 m 射电望远镜，在卡焦式相控阵馈源技术方面进行了相关的研究和实验。国家台依托FAST 工程，与中国电子科技集团公司第五十四研究所(简称五十四所)、北京航空航天大学、南京理工大学等机构开展合作，针对L 波段相控阵馈源开展了大量的研究。国家台和五十四所联合成立的射电天文技术联合实验室依托SKA 工程，针对不同频段相控阵馈源开展了相关的研发工作。中国科学院新疆天文台(简称新疆台)依托拟建的奇台110 m 射电望远镜，也已开展0.7～1.8 GHz 的相控阵馈源预先研究。

3.2.1 天马65 m 天线PAF 设计

2013 年，上海台依托天马65 m 射电望远镜开展了PAF 的关键技术研究。与绝大多数主焦设计的长厘米波段PAF 不同，上海台开展的是针对更高的工作频段(6～9 GHz)、卡焦形式PAF 的分析研究[52]。

通过对抛物面天线焦面场的仿真优化分析，初步确定PAF 阵列设计。选取Vivaldi 作为阵列单元，使用三层电路板工艺，中间层为馈电层，上下层增加了互通金属过孔，Vivaldi 天线单元后端采用带状线到同轴线的过渡方式连接同轴转接头；根据阵列特性，单元间距选取9 GHz 对应波长的一半，以此达到对焦平面进行完全采样；初步确定PAF 样机为102×2 单元正交vivaldi 天线阵列。实际PAF 阵列仅加工了8 列(横、竖各4 列)vivaldi 阵元，如图26 所示。由于只是部分加工，集成效果与理想阵列图略有区别，但已可以实现波束扫描功能[53]。

图26 上海天文台PAF 原理样机

最终，研究人员对该PAF 的Vivaldi 天线阵列中心单元开展了基本的S 参数测量，而后利用共轭匹配的波束合成方法对该PAF 原理样机进行了整机的性能测试。该项研究也是国内在大口径射电望远镜上开展PAF 技术的首次探索。

3.2.2 FAST PAF 研制

国家台主持建造的“500 m 口径球面射电望远镜”，是利用贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件建设的世界上最大的单口径射电望远镜。目前，国家台FAST 团队与五十四所[54]、北京航空航天大学、南京理工大学[55–58]等国内高校，以及国外CSIRO 和NRAO 等研究机构开展合作，正在开展L 波段制冷相控阵馈源的研制工作。

FAST PAF 设计指标：工作频率为1.05～1.45 GHz，瞬时带宽大于等于500 MHz，视场为0.6×0.6 平方度，瞬时波束数量大于等于100 个，系统温度为25 K，口径效率大于等于55%[59,60]。国家台与五十四所以射电天文技术联合实验室为依托，初步设计PAF 阵列采用背腔阵子形式(见图27 a))，六边形排布，最终阵元数量为217 个，阵元间距为0.65 倍波长，双线极化输出，合成一个波束需要37 个阵元，瞬时可以形成100 个波束。目前，FAST 19 阵元PAF 样机设计如图27 b)所示。

图27 背腔阵子及FAST 19 阵元PAF 样机

目前，研究人员正在开展FAST PAF 的制冷设计[61]，如图28 所示。

图28 FAST 制冷PAF 样机

3.2.3 中国SKA PAF 研制

在SKA 诸多成员国中，中国在SKA 发起、选址、工程概念及技术研发等方面均起到积极的推动作用[62]。目前，由国家台和五十四所联合成立的射电天文技术联合实验室正在开展SKA 先导天线及相位阵馈源等关键技术研究[63]。其中，中国验证天线(dish verification antenna-China,DVA-C) 是我国瞄准SKA 反射面天线单元，结合国际先进设计理念与成熟工程经验研制的、具有自主知识产权的一架反射面天线样机(如图29 所示)[64]。该天线采用上偏置格利高里天线形式，主副反射面赋形设计；主副反射面均采用碳纤维材料、单块面板、整体成型技术制造工艺；天线转动采用方位转台、俯仰丝杠的座架设计；天线控制采用全数字化伺服控制系统提高系统的控制精度和可靠性。

图29 DAV-C 天线

射电天文技术联合实验室利用之前为FAST 设计的背腔阵子PAF 设计，结合最新设计的DAV-C 天线，又设计出中国SKA 项目中新的接收设备样机(SKA DAV-C PAF)。图30是五十四所为SKA DAV-C 设计的PAF 样机。

图30 SKA DAV-C PAF 及阵元布局

之后，该实验室继续为SKA 项目在Ku 波段拟进行的多波束观测开展PAF 设计。2019年，五十四所针对具体的反射面天线，已经成功研制一工作在Ku 频段的相控阵馈源样机，该样机采用开口波导作为阵列单元，一共22 个单元。采用数字波束合成技术，在俯仰方向上形成了四个瞬时波束。通过仿真还可以得到单个波束的效率最高可达74.7%，增益达到63 dB，天线的噪声温度为92 K，满足项目要求，单个波束的灵敏度为1.077 m2·K−1，相邻波束性能基本一致[65]。

3.2.4 QTT PAF 预研

新疆台联合中国科学院和新疆维吾尔自治区，拟在新疆奇台县建设“110 米口径全向可动射电望远镜” (QiTai Telescope,QTT)[66]，QTT 模型如图31 所示。根据科学目标和项目实施计划，初步计划配备五套高灵敏度制冷接收机，覆盖0.27～30 GHz 的观测频率范围，其中40 cm 波段(0.27～1.8 GHz)和15 cm 波段(0.7～4 GHz)单波束接收机，以及20 cm 波段(0.7～1.8 GHz)相控阵馈源接收机系统装备在QTT 主焦点位置，5 cm 波段(4～16 GHz)和2 cm 波段(16～30 GHz)单波束接收机装备在QTT 格里高利焦点位置。后期拟陆续配备13/3.6 cm,3.6/0.9 cm,1.3 cm,7 mm 和3 mm 波段5 套高频接收机，共计10 套接收机，工作频率覆盖0.27～115 GHz，具备总功率、偏振、频谱、甚长基线干涉测量等多种观测模式。

图31 QTT 模型

QTT 项目建设在即，相应的各个波段接收机的预研工作已经展开，其中20 cm 波段PAF 作为其中唯一一台相控阵馈源接收机，为大型射电望远镜使用相控阵馈源实现数十乃至上百个波束同时观测提供了可能。20 cm 波段相控阵馈源接收机主要由低温制冷前端、常温微波单元、信号采集与传输单元、电源与监控单元、校准单元、制冷系统和充气系统等组成，系统组成如图32 所示[67]。

图32 QTT 20 cm 波段PAF 系统结构

QTT 20 cm 波段PAF 接收机射频带宽0.7～1.8 GHz，双线极化输出，为了尽可能降低接收机噪声温度，96 个单元馈源阵列和第一级低噪声放大器整体制冷，输出信号经滤波放大之后直接由数字化光纤传输，96 阵元布局如图33 所示。目前，正在开展低温制冷前端设计。该PAF 低温制冷前端是接收机的核心部分，其噪声温度指标决定了整个接收机系统的灵敏度。低温制冷前端由真空微波窗口、正交模耦合器、低温定向耦合器、低温隔离器、低温低噪声放大器与低温射频电缆组件及制冷机构成，制冷部件工作于20 K 温区，外层加入温度为77 K 的冷屏降低热辐射效率，进一步保证制冷器件的工作温度，整个低温微波单元封装在杜瓦内。

图33 QTT 20 cm 波段PAF 96 阵元布局

4 总结与展望

将PAF 应用于焦平面阵列的优点在于其可以通过优化波束来提升望远镜在灵敏度、旁瓣和偏振特性方面的性能。与此同时，PAF 相较多波束技术在系统设计方面将面临着诸多挑战，例如采取阵列低噪放后级直接数字化，有助于提升系统的紧凑性，消除了同轴电缆或光纤链路复杂程度，但会增大数据量，另外还包括紧凑性、对外部射频干扰的敏感性、对通道隔离提供足够的信道、射频信号泄漏控制、制冷、重量和成本等方面。未来射电天文领域PAF 的研究重点及主要挑战包括PAF 阵列的数值模拟、PAF 接收机的噪声优化、PAF 的波束合成技术，以及PAF 的阵列校准。

射电天文学的蓬勃发展正在积极推动着高灵敏度相控阵馈源的研究。大型单面板射电望远镜，如上海台天马望远镜、国家台FAST、新疆台QTT，以及大型射电望远镜阵列，如中国SKA 项目，均在积极推动着国内相控阵馈源技术研发。随着射电天文观测需求的不断攀升，对相控阵馈源的性能也提出了更为严苛的要求，接收机研发人员将面临更大挑战，例如超宽带、低噪声、全制冷、实时数字信号处理等，这些需求已经成为相控阵馈源在未来几年内的发展方向。相信在不远的未来，新一代PAF 将会成为天文学家开展巡天观测的科学利器，也将使得对瞬态宇宙现象的研究成为可能。