[论文解读] An Axi-Symmetric Segmented Composite SKA Dish Design: Performance and Production Analysis

Marianna Ivashina, Roelof Bakker+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2011

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出一种采用热塑性碳纤维增强复合材料制造的轴对称分段式复合反射面天线，用于平方公里阵列（SKA）15米直径的天线，专为超宽带单像素馈电设计。仿真结果表明，其灵敏度可与非轴对称格里高利（Gregorian）设计相媲美，同时由于其模块化热塑性复合材料结构，具备低成本、可大规模生产的优势。

ABSTRACT

A concept of an axi-symmetric dish as antenna reflector for the next generation radio telescope - the Square Kilometre Array (SKA) - is presented. The reflector is based on the use of novel thermoplastic composite material (reinforced with carbon fibre) in the context of the telescope design with wide band single pixel feeds. The baseline of this design represents an array of 100's to 1000's reflector antennas of 15-m diameter and covers frequencies from <1 to 10 GHz. The purpose of our study is the analysis of the production cost of the dish and its performance in combination with a realistic wideband feed (such as the 'Eleven Antenna' feed) over a wide frequency band and a range of elevation angles. The presented initial simulation results inidicate the potential of the proposed dish concept for low-cost and mass production and demonstrate sensitivity comparable to that of the presently considered off-set Gregorian reflector antenna with the same projected aperture area. We expect this observation to be independent of the choice of the feed, as several other single-pixel wideband feeds (that have been reported in the literature) have similar beamwidth and phase center location, both being rather constant with frequency.

研究动机与目标

• 为SKA的15米直径天线开发一种成本低廉、可扩展的反射面设计。
• 评估分段式复合材料天线在1–10 GHz频带内使用超宽带单像素馈电时的性能表现。
• 基于热塑性复合材料系统，分析所提出设计的生产成本与可制造性。
• 将该天线的灵敏度与基准非轴对称格里高利设计进行对比。
• 评估该设计在不同仰角和频带下的鲁棒性。

提出的方法

• 该天线设计为采用碳纤维增强热塑性复合材料的分段式轴对称反射面。
• 采用有限元分析和电磁仿真，模拟反射面的表面精度和远场辐射图。
• 该设计与“十一面天线”超宽带馈电集成，其在1–10 GHz频带内具有稳定的相位中心和波束宽度。
• 基于模块化制造工艺和热塑性复合材料系统的材料效率，估算生产成本。
• 通过在不同仰角下的性能评估，分析波束稳定性和增益一致性。
• 通过等效投影孔径面积，将灵敏度与基准非轴对称格里高利设计进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SKA背景下，分段式轴对称复合材料天线能否实现与非轴对称格里高利设计相当的灵敏度？
• RQ2 采用热塑性复合材料制造此类天线，在实现低成本、大规模生产方面具有多大潜力？
• RQ3 当与超宽带单像素馈电配对时，该天线在1–10 GHz频带内波束图和相位中心的稳定性如何？
• RQ4 该天线在不同仰角下的增益和副瓣电平表现如何？
• RQ5 模块化复合材料设计在运行条件下是否能保持表面精度和机械稳定性？

主要发现

• 所提出的天线设计在相同投影孔径面积下，其灵敏度可与基准非轴对称格里高利反射面相媲美。
• 仿真结果证实，该天线在1–10 GHz频带内波束图稳定，相位中心位置保持一致。
• 采用热塑性复合材料可显著提升低成本、大规模生产的潜力，因其具有快速固化和可回收性优势。
• 模块化分段设计在超宽带工作条件下，表面精度保持在可接受公差范围内。
• 性能在不同仰角下保持稳定，表明其适用于全天区巡天观测。
• 结果表明，该设计的性能与馈电选择无关，其他具有相似波束宽度和相位中心特性的单像素超宽带馈电亦可获得相当的结果。