03 射电天线的种类

大家都知道，光学天文望远镜有两种主要类型：一种是由透镜所构成的折射光学望远镜；另一种是由反射镜面构成的反射光学望远镜。在这两种光学望远镜之外，有少数是既包含透镜又包含反射镜的折反射望远镜。

射电天文望远镜和光学天文望远镜不同，尤其在低频的部分。它们包括很多不同形式的细长的杆件，而天线在英语中的原义正是昆虫的触角。射电望远镜常常被称为射电天线，它是一种接受微弱射电信号的高增益装置。所谓增益就是输出信号和输入信号的强度比，天线增益常常用它的对数值来表示，称为分贝。射电望远镜在高频区间的主要结构形式是连续孔径反射面天线以及由面天线作为基本单元的非连续孔径天线，即天线阵。在射电望远镜中还包含一些在低频波段使用的中、低增益的天线单元。这些小尺寸的天线单元往往只是用来作为一些面天线焦点上的接收器或者是作为一些庞大阵列的基本单元。这样的安排可以保证整个望远镜系统的高增益。当这些小天线用作为接收器的时候，又被叫作馈源、喇叭或者照明器，而不被称为天线。

可以作为焦点上接收器的或者是阵列中单元的天线有偶极子天线、圆柱螺旋天线（图11）、空腔式天线和喇叭天线（图12）。喇叭天线又可以分为圆锥喇叭天线、多模喇叭天线和混模喇叭天线。偶极子天线是最简单的天线形式，它包含两根从中心分出的对称杆件。它的辐射方向和接收方向正好垂直于杆件所在方向。偶极子天线只适用于低频波段。在高频波段，喇叭天线频率特性好，结构也相对简单。特别是混模喇叭天线在较宽的频带范围内可以获得良好的电特性，因此成为高频区域射电望远镜的主要照明器。在毫米波段，也常常使用像领结一样的对数周期式的广谱平面天线来作为焦点上的接收器。

图11 偶极子天线和圆柱螺旋天线

图12 空腔天线和喇叭天线

在低频率区域，可以用偶极子天线组成庞大阵列，这是低频区域射电天文望远镜的一种基本形式。偶极子的响应特性和它对应的射电波波长相关，波长不同，天线的响应也不相同。按照射电天线的术语，就是不同相对长度的天线具有不同的辐射方向图。

当偶极子长度等于一个波长的时候，偶极子天线的方向性最好。电磁波发射和接收的方向和偶极子长度方向相垂直，集中在一个很小的角度上，向四面八方传播。继续增大偶极子的长度，发射方向就会发散，方向图变得十分复杂。在偶极子天线的前面和后面分别增加金属杆式的导向器和反射器，就可以获得接收和发射性能更好的八木天线，这时发散和接收最好的方向是在装有多个导向器的同一方向上，从而避免了偶极子天线向四面八方发散的能量损失（图13）。八木天线曾经是多年前常用的屋顶电视天线，它的横向尺寸小的一端要对准电视台的方向。

图13 具有反射器和导向器的八木天线

一般螺旋圆柱天线方向性更好，这种天线基本上只向螺旋轴线的前方很小的一个角度上发射和接收射电辐射，它所接收和发射的电磁波具有圆极化的特点。

使用金属反射面聚焦可以提高馈源本身所具有的方向性。偶极子的馈源可以使用在抛物柱面反射面的焦点上来作为照明器。在频率较高的时候，抛物面反射面具有最好的方向性和最高的灵敏度。当平行于抛物面轴线的电磁波射入抛物面时，它们会等光程地会聚于它的焦点上。这时候，射电望远镜会有最高的接收和发射效率。和光学天文望远镜相似，射电望远镜可以仅使用一个抛物面形成主焦点系统；也可以同时使用一个抛物面和一个双曲面，形成卡塞格林焦点系统；或者同时使用一个抛物面和一个椭球面，形成格里高利焦点系统。金属反射面天线重量大，大部分采用地平式支架，早期个别天线采用了赤道式支架。射电望远镜的结构形式主要有两种：一种是主支撑轴形式，另一种是轮轨式形式。前者适用于口径相对小的天线，后者适用于口径相对大的天线。

为了获得天线的最大效率，射电望远镜的反射面误差必须小于波长的二十分之一。所以越是工作在短波频率，对望远镜面形精度的要求就越高，制造难度就越大，成本也越高。