射电望远镜天线

射电望远镜天线是截获入射无线电波并将其汇聚到接收器上的反射器和馈源，它们决定了射电望远镜的收集面积、波束形状和频率范围。

Definition

射电望远镜天线是一种结构，通常是反射碟或元件阵列，用于捕获射频辐射并将其耦合到接收器，其特征在于其有效收集面积、波束图和工作频带。

Scope

本主题涵盖抛物面碟形反射器及其馈源和副反射器配置、用于长波长的偶极子和相控阵天线、波束图和旁瓣、孔径效率和表面精度，以及大型可转向和固定天线的结构和指向要求。

Core questions

• 天线尺寸和表面精度如何决定分辨率和最高可用频率？
• 碟形反射器与偶极子和相控阵有何区别？
• 什么是波束图、增益和旁瓣？
• 孔径效率如何定义和最大化？

Key theories

天线波束与方向图互易性

天线在天空中的响应，即其波束，是孔径照明的傅里叶变换，因此更大、更均匀照明的孔径会产生更窄的波束和更高的分辨率。

孔径效率和表面精度

反射器表面偏离理想抛物面会导致信号散射出波束，鲁兹（Ruze）关系表明，一旦表面误差接近波长的十分之一，效率就会急剧下降。

用于低频的相控阵

在长波长下，固定的偶极子元件通过电子方式组合成波束，无需移动结构即可实现灵活、可转向的孔径，这在现代低频阵列中得到了应用。

Clinical relevance

天线设计决定了每个射电设施的灵敏度、频率覆盖范围和分辨率；大型碟形天线的表面精度决定了望远镜能否达到冷气体和尘埃辐射的毫米波和亚毫米波段。

History

1937年雷伯（Reber）的后院抛物面天线确立了可转向碟形天线，随后出现了越来越大的碟形天线，从焦德雷尔班克（Jodrell Bank）到100米埃弗尔斯堡（Effelsberg）和绿岸（Green Bank）望远镜，以及固定的305米阿雷西博（Arecibo）和500米FAST反射器。相控偶极子阵列使低频射电天文学得以复兴。

Key figures

• Grote Reber
• John D. Kraus

Seminal works

• wilson2013
• kraus1986

Frequently asked questions

为什么射电望远镜碟形天线表面必须光滑到波长的一小部分？

反射器表面的凸起和下垂会将信号散射离开焦点，从而降低效率。鲁兹关系表明，一旦表面误差达到观测波长的大约十分之一，损耗就会急剧增加，这就是为什么毫米波碟形天线需要表面精度达到数十微米的原因。

为什么有些射电望远镜使用偶极子阵列而不是碟形天线？

在长波长下，碟形天线会大得不切实际，而波束可以通过将许多简单的固定偶极子天线以正确的相位组合起来，通过电子方式形成。这提供了一个可转向、可重新配置且没有移动部件的望远镜，非常适合低频巡天。