在过去的十几年里，国内射电望远镜技术有了快速的发展，望远镜口径越来越大，精度也越来越高。2012年10月，65 m全可动射电望远镜在上海佘山落成，该望远镜工作波段覆盖1.6 GHz~46 GHz，采用主反射面可调节的主动面技术^[1]。目前贵州平塘500 m口径局部可动球面射电望远镜于2016年9月完工^[2]。正在筹建的新疆奇台110 m口径全可动射电望远镜 (QiTai radio Telescope, QTT)，可以显著提高我国天体物理、天体测量和空间探测的水平。110 m射电望远镜的工作波段覆盖150 MHz~115 GHz^[3]，需要配备一定数量的接收机。高频馈源更适宜放置在次焦点，次焦馈源有更小的尺寸，接收更少的背景噪声，而低频段的馈源安装在主焦点，结构紧凑合理^[4]。110 m射电望远镜的主、次焦点均能馈电，能安装更多的接收机。

世界范围内主、次焦点均有馈电功能的望远镜有3台，分别是德国100 m望远镜^[5]、美国Green Bank 100 m望远镜 (GBT)^[6]、意大利64 m望远镜 (SRT)^[7]。德国100 m望远镜的主焦点换馈方案采用副面中心开孔的方式 (图 1a)，主焦点馈源工作时，副面中心孔的面板打开，所需的馈源由此伸出。使用完毕只需收回主焦点馈源，副面中心面板闭合，就完成一次主焦点馈源工作过程。由于Effelsberg天线采用标准抛物面，因此馈源伸出的副面中心开口区域处于几何光学遮挡区域，此区域内的表面精度不影响天线的工作效率。采用中心伸缩桶的馈电方案能够避免换馈机构对主反射面产生额外遮挡而降低效率。意大利64 m望远镜的主焦点换馈方案是将主焦点馈源放置于一横梁上，位于副面边缘 (图 1b)。换馈机构由后方的丝杆和电机驱动绕副面上方的回转副运动，由初始位置运动78°将馈源移动至主焦点位置。不同的馈源可在横梁上移动，从而切换不同的主焦点馈源。由于意大利64 m望远镜为赋形双反射面天线，主焦点换馈方案不宜采用德国100 m望远镜的方案，它所用的方案主焦点换馈简单快速，能在几分钟内完成，但对口径面有遮挡而造成天线效率降低。美国绿岸望远镜是偏焦望远镜，主焦点馈源与推杆链接，不工作时收在副面撑腿旁，工作时由推杆将其推至主焦点位置 (图 1c)。绿岸望远镜主焦换馈较容易实现，对口径面没有遮挡，缺点是换馈时间长，完成一次换馈需要2~4小时。

110 m射电望远镜为格里高利型天线并具有赋形功能，副反射面尺寸较大，对主焦点换馈方案有很高要求。赋形功能对副反射面中心几何遮挡区域的面形精度有要求，若采用德国100 m望远镜方案，中心区域面板开合精度难以保证。大口径的副反射面采用意大利64 m望远镜主焦馈电方式，换馈机构的结构笨重，对天线产生更大的遮挡，同时换馈机构的重复定位精度较难保证。

结合多种方案提出了一种以敞开式丝杆线性模组为驱动的主焦点换馈方案。敞开式线性模组由电机、联轴器、滚珠丝杆、轴承座、电机座和转接座等模块组成，主要特点：(1) 高刚度、高精度；(2) 易安装、易维护。

1 设计方案 1.1 主焦点换馈机构的技术要求

换馈机构主要实现的目标是通过机构运动，在主焦观测时将接收机送至主焦点位置，并实现多个接收机在主焦点之间的切换。机构运动实现过程中重点保证以下几点：

(1) 定位准确，能准确地保证馈源相心与焦点重合；

(2) 主焦点接收机要复位准确，并尽量减小天线遮挡；

(3) 传动平稳，传动精度高；

(4) 尽量采取自动换馈的方案，减轻操作人员的工作难度；

(5) 在满足机构刚度的条件下，有更小的结构和质量。

1.2 机构组成

110 m射电望远镜前期研究中，主焦点初步配置3个不同频段的接收机，分别为0.15 GHz~0.16 GHz、0.6 GHz~4 GHz两个单波束接收机和一个频段1 GHz~2 GHz的PAF接收机。根据馈源结构特性，设计了一种基于敞开式丝杆线性模组驱动的换馈机构，由焦点位移机构与馈源切换机构组成，如图 2。

焦点位移机构主要包括两组敞开式丝杆线性模组、馈源安置横梁等。焦点位移机构只有两个位置，工作位置与闲时位置。工作位置时馈源安置横梁位于天线副面的中心位置 (如图 3a)；闲时位置的馈源安置横梁位于副面侧方，且不遮挡副面 (如图 3b)。不同位置切换需将望远镜指向天顶，以切换至工作位置为例，馈源切换机构的两组敞开式丝杆线性模组同步运动，带动馈源安置横梁到工作位置。

馈源切换机构主要由一组敞开式丝杆线性模组和排列在线性模组螺母面的主焦点馈源组成。馈源切换机构的3个馈源排列如图 4，馈源2位于丝杆线性模组中央，线性模组可做往复运动，向左移动一个馈源宽度的距离就切换至馈源3，相反方向移动可以切换为馈源1，这样就完成了3个馈源之间的切换。

目前为110 m射电望远镜前期研究阶段，大口径射电望远镜主副反射面直径比一般为10:1，110 m射电望远镜主反射面直径为110 m，副反射面直径取11 m，焦径比按照0.33设计，副反射面距主焦点3.2 m。经过优化设计，焦点位移机构中的馈源安置横梁长度可取12 m，馈源安装于馈源安置横梁预先设定好的馈源盒中。考虑到最小行程和余量，焦点位移机构中敞开式丝杆线性模组的行程为7 m，才能保证有足够的运动距离将馈源送至焦点位置。3个馈源中，相邻两个馈源中心轴线距离1.5 m，中间的馈源向左或向右移动1.5 m，能切换到另外2个馈源，取馈源切换机构中线性丝杆模组行程为3.3 m，这样3个主焦点馈源都能到达焦点位置，且有一定的余量。

由110 m射电望远镜主焦点换馈机构主要工作部件的结构尺寸，得出各部件的大体质量，见表 1。

1.3 焦点位移机构和馈源切换机构的丝杆副尺寸 1.3.1 焦点位移机构的丝杆副尺寸

110m射电望远镜主焦点切换机构要在几分钟内完成换馈工作，根据要求，焦点位移机构应在210 s内将馈源切换机构送至主焦点位置。由于焦点位移机构丝杆副长度为7 m，长行程的丝杆转速不宜过快，取最大转速n_max为120 r/min，按照机构运动时间的要求，最大速度v_max应为1 800 mm/min。丝杆副基本参数导程，为滚珠螺母相对丝杆转动360°时的行程^[8]。

丝杆副的选取需要知道丝杆的预期额定动载荷，计算过程中需要比较工作时间要求与预紧要求的额定动载荷，取较大值进行校验。焦点位移机构丝杆最大轴向负载F_max为天线指向地平时，大小为23 200 N。110 m射电望远镜焦点位移机构丝杆副预期额定动载荷在预紧要求下较高，预紧要求下的预期额定动载荷C_am可由 (1) 式得出：

(1)

其中，f_e为预紧载荷系数值为4.5，求得丝杆副预期额定动载荷C_am为104.4 KN。

丝杆螺纹底径d₀为外螺纹牙角底部直径，即丝杆小径。允许最小螺纹直径d_2m为选取丝杆副之前，由丝杆副工作要求计算得出丝杆小径的最小参数。允许最小螺纹底径d_2m由 (2) 式得出：

(2)

其中，δ_m为丝杆允许的最大轴向变形量，取δ_m=2.5 um；F₀为丝杆运动时所受的轴向力，大小为4 640 N；L为滚珠丝杆两轴承支撑点间的距离，取L=7 000 mm；a为丝杆轴的支撑方式系数，采用两端固定式，一般取a=0.039。由 (2) 式得出焦点位移机构丝杆副的最小螺纹底径d_2m=65.4 mm。

根据计算结果，确定焦点切换机构的一对丝杆线性模组的丝杆选型为内循环固定法兰式、直筒双螺母垫片预紧GD型8016-4，参数见表 2。经验证，GD型8016-4丝杆副螺纹底径d₂=68.6 mm大于最小螺纹底径d_2m，额定动载荷C_a=115.483 KN＞C_am，结构强度满足望远镜焦点位移机构的要求。

1.3.2 馈源切换机构的丝杆副尺寸

馈源切换机构线性模组选型过程与焦点位移机构丝杆副选型过程大体相同。不同的是馈源切换机构丝杆副的最大轴向载荷F_max=5 000 N (天线指平)，最大行程3 300 mm。

由 (1)、(2) 式计算得出馈源切换机构丝杆副预期额定动载荷C_am=22.51 KN，最小螺纹底径d_2m=22.25 mm。选取内循环法兰式、直筒双螺母垫片预紧GD型4010-4丝杆，参数见表 3。经验证选用丝杆副螺纹底径d₂=32.9 mm，大于最小螺纹底径，即d₂ > d_2m。额定动载荷C_a=34.358 KN，大于预期额定动载荷，即C_a > C_am。结构强度能达到馈源切换机构的工作需求。

2 换馈方案分析 2.1 换馈机构对天线效率的影响

由于副反射面及其支架对天线口面的遮挡，在天线口面上形成一个阴影，天线场等于没有遮挡的口面辐射场与阴影面积辐射相位反向180°场的叠加，使得天线增益下降，旁瓣电平升高^[9]。

在已知天线口径尺寸和工作频率的情况下，天线的增益可由 (3) 式计算得出：

(3)

其中，G为天线增益；D为天线口径；λ为天线工作频率的波长；η_A为天线效率。从 (3) 式可以看出，天线效率决定天线增益。天线效率受多种因素的影响，一般可表达如下：

(4)

其中，η₁为口面利用率；η₂为截获效率；η₃为遮挡效率；η₄为失配效率损失；η₅为表面公差损失；η₆为馈源差损效率损失；η₇为相位损失；η₈为极化损失。

主焦点换馈机构对天线效率影响主要为η₃遮挡效率，对于110 m射电望远镜来说，遮挡效率主要是天线副面和副面支杆遮挡造成的损失，加装主焦点换馈机构增加了天线对主面的遮挡。在工程上，一般利用几何光学方法计算天线的遮挡损失^[10]：

(5)

其中，A为天线的口径面积；Δ为口径面被遮挡的面积。主焦点换馈机构在主面上投影面积约为26.7 m²，为整体主面面积的0.28%。利用 (5) 式计算得主焦点换馈机构对天线造成遮挡损失比未加装时增加了0.49%。

意大利64 m望远镜与110 m射电望远镜主焦换馈方案对比见表 4，本方案中110 m射电望远镜的主焦点换馈机构比意大利64 m望远镜对天线效率影响略小。意大利64 m望远镜副反射面口径为7.5 m，但其主焦点换馈机构馈源安置横梁达到了12 m，整体结构笨重。而110 m射电望远镜在具有更大副反射面口径 (11 m) 的情况下，主焦换馈机构横梁尺寸仅为12 m，结构相对更小、更轻。

2.2 主焦点馈源偏焦量

理想情况下馈源相心应与焦点位置完全重合，但实际上由于馈源支架的变形及馈源安装不准确对馈源对焦造成一定影响。对于110 m射电望远镜的主焦点馈源，馈源偏离抛物面的焦点分为两种情况：馈源沿抛物面轴线方向的偏移 (轴偏)；馈源沿垂直于抛物面轴线方向的偏移 (橫偏)。

当馈源轴偏时，天线增益降低，旁瓣电平升高，最大辐射方向不变，仍在抛物面轴线上。110 m射电望远镜的主焦点馈源轴向偏焦应小于0.1 λ，其增益损失较小，旁瓣升高不大。馈源橫偏时，天线方向图主瓣最大辐射方向将偏离一定角度，这时方向图变得不对称，靠近轴线一边的旁瓣电平明显升高，而另一边旁瓣则减小^[11]。主瓣宽度变化不大，增益损失较小。给定110 m射电望远镜的主焦点馈源横向偏焦应小于0.1 λ，其增益损失较小，旁瓣电平升高在允许范围内。

110 m射电望远镜的主焦点馈源最短工作波长为15 cm，设计过程中取其轴向与横向偏差均不大于0.1 λ。即偏焦量小于1.5 cm。在仅考虑自重的情况下，对110 m射电望远镜主焦点换馈机构进行了仿真。馈源在天线指向天顶时轴向偏焦量最大，在天线指向地平时横向偏焦量最大。仿真结果 (图 5) 给出了天线指向天顶和指向地平两种位置的馈源偏焦量。

仿真分析结果表明：天线在指向天顶时，馈源靠近焦点部分的轴向偏焦量约为5 mm，小于允许的最大轴向偏焦量^[12]；天线指向地平时，馈源横向偏焦量约为14.6 mm，略低于允许的最小变形量15 mm。未来加装馈源位置测量系统，借助馈源机构可在平面内做二维平动，也可进一步调整减小指向地平时横向偏焦量。从仿真结果看，整体换馈机构满足110 m射电望远镜的主焦点换馈工作。

3 结论

通过对国外超大口径射电望远镜主焦点换馈方案的调查分析，并结合110 m射电望远镜的结构参数和设计特点，提出了适用于110 m射电望远镜的一种前馈馈源换馈方案，此方案特点为：

(1) 结构较为简易，便于实现；

(2) 采用敞开式丝杆线性模组传动，便于精确定位和平稳传动。敞开式丝杆线性模组具有设计、安装、维护简便，可靠性高的优点。

(3) 相较同类型天线主焦馈电机构，对主面遮挡小，定位精度高。整体机构可以通过改进材料降低重量，能达到目前重量的1/3。且在今后望远镜升级过程中，可以添加更多的主焦点馈源。