乌拉斯台观测站

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21CMA天线系统

21CMA的基本接收单元是长度为2.2m、由16对阵子组成的对数周期天线,具备宽波段、低造价以及易于制造和安装三大特点。虽然为天线设计的最佳工作波段是70-200MHz,但天线依然可以有效地覆盖50-300MHz的更宽波段。所有天线指向北天极,每127只对数周期天线合成一个天线组,该天线组又简称为pod或工作站。沿北天极方向俯视,每一pod是一个边长10.5m的正六边形。考虑到乌拉斯台的地理纬度修正,实际布设的天线pod东西延伸18.186m,南北延长30.836m,呈一个沿南北方向拉伸了的六边形。各单元天线间以低噪声电缆相连接,以保证来自北天极方向讯号的相位完全相同来确定各段电缆线的长度,中心频率设定在150MHz,此技术即是简单的相控阵概念(phased array)。在150MHz,每一组天线等效接收面积为218平方米,相当于一部16.7m口径的射电望远镜。天线固定性指向北天极,可以使我们每天24小时不间断地观测同一天区,易于在短时间内探测到暗弱天体及其结构,并且造价相对低廉。不过,由此带来的问题是,望远镜不能观测天空的其它目标源,北极视场中缺少很好的射电定标源。

21CMA有两条基线:东-西基线2.74公里和南-北基线4.1公里,组成一个偏心的“T”形结构,基线的长度和选择“T”形排列主要是基于科学目标,同时受限于乌拉斯台的地形。此外,两条相互垂直的基线又细分为东(E)、西(W)、南(S)、北(N)四条子基线,每条子基线的有效长度都是1370m(南北方向需考虑纬度的投影修正),其上各自布设20组天线,这20组天线的间距从20m至1370m不等,但均是20m的整数倍以形成诸多冗余基线。同时,E、W、S和N子基线的天线组分布方式完全相同,等价于把E基线在W、S和N方向复制了三次。这样,尽管21CMA在实施干涉成像时共有3160条瞬时基线,其中的独立基线只有212条。诸多冗余基线的设计为自校准和测量21cm天空角功率谱提供了便利。在21CMA原设计方案施工完成后,我们又在E方向延长线4646m处增加了一组天线E21,使得E-W方向基线总长度达到6km,大大地提高了21CMA的角分辨率(达1角分)。
概括来说,21CMA在E-W和S-N两条基线上分布着41+40个天线组(pod),每组阵列由127面对数周期天线组成,因此21CMA共有阵列81组计天线10287面。每一天线均通过环氧树脂管和钢板钢钎固定在地面并永久指向北极,这样地球的转动并不影响天线的指向。值得特别指出的是,所有21CMA的天线均可以围绕指向北极的轴旋转90度,从而进行极化的测量,当然这种极化测量需要手工完成天线旋转的调整。极化测量对研究宇宙再电离特别是扣除前景银河系影响时十分重要。

21CMA 分布在E-W基线上的部分天线

 

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