SKA 射电望远镜：一项全球性的宇宙探索项目
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了平方公里阵列（SKA）项目，一个多国合作的科研巨制，旨在解开宇宙之谜。项目涵盖相对论验证、星系形成、暗能量探索等多个前沿领域。由多国共建的SKA由大量反射器和天线构成，将远超现有射电望远镜性能。分两阶段实施，预计2023年完成第一阶段。文章还探讨了电磁兼容性问题及解决方案，通过仿真和测量确保项目顺利进行。新求解器的发展对解决低频极限下的挑战至关重要，有助于SKA在宇宙探索中取得重大突破。
项目介绍
验证爱因斯坦的相对论、宇宙大爆炸后如何形成第一个恒星和星系、暗能量和宇宙磁场研究以及那个古老的问题“人类在宇宙中是否唯一”等等，这些均为平方公里阵列 (SKA) 项目的重要科研目标。该项目由英国 Jodrell Bank 天文台的 SKA 组织引领，受到 11 个成员国的支持，其中包括南非、澳大利亚、加拿大、中国、德国、印度、意大利、新西兰、瑞典、荷兰及英国。
SKA 将汇集包括大型碟面反射器和孔径天线在内的各类天线。这些天线覆盖范围广，可一起用作干涉阵。SKA 建成后，其速度将比任何现有射电望远镜快 10,000 倍，灵敏度将高出 50 倍。SKA 将分两阶段建成：阶段 1 (SKA1) 预计将在 2023 年于南非和澳大利亚完成；阶段 2 (SKA2) 将在 SKA1 完成后开始并将项目扩展到非洲其他国家/地区，同时澳大利亚的项目部分也将得到扩展。阶段 1 期间，MeerKAT 64 面先导阵列（目前仍在建设中并预计将在几年后上线）将集成到 SKA1 MID 中，同时还将建设另外 190 个反射面天线。
建成后，SKA 将十分灵敏，甚至能检测到数十光年以外的星球上的飞机雷达。中央计算机将具有约一亿台 PC 的处理能力且 SKA 的反射面天线所产生的网络流量将是全球网络流量的 10 倍。SKA 所使用的光纤足够绕地球两圈且 SKA 中的孔径阵列所产生的网络流量将是全球网络流量的 100 倍以上。
斯坦陵布什大学的研究主席主要侧重于分析电磁系统和系统间的射频干扰(RFI) 缓解。EMC 计量研究和创新 (EMRIN) 组织的 Gideon Wiid 博士和 Kuja Stanley Okoth 一直致力于研究 SKA 的电磁兼容性 (EMC) 计量问题。早在规划和设计阶段就已经预计并考虑到了(EMC) 问题，且已在原型机上进行了尽可能详尽的测量。借助这一方法，EMC 已成为最终产品的电子和机械设计中不可分割的一部分。
挑战
由于电缆中存在电流，邻近天线及其他系统较为靠近时，即使发射水平较低也会造成彼此之间意外耦合。需采用以下方式尽可能地减少这种耦合，首先通过仿真或测量来确定耦合机制，然后采取措施以提高隔离效果，例如屏蔽或重新铺设电缆。
尽管需要进行现场射频 (RF) 耦合调查，但也仅能在安装后才能执行。在设计、规划和安装阶段，必须通过比例模型和仿真完成这类电磁 (EM) 环境特性评定。
直径为 13.5m 的 MeerKAT 天线
MeerKAT 现场核心
单个天线的 FEKO 模型
单个天线的 FEKO 模型在比例模型上测量的输入端口反射系数与用 FEKO 模拟的反射系数比较
实际现场MeerKAT 天线与 FEKO 仿真的测量结果比较
解决方案
仿真曾经是，现在也仍是详细研究干扰特性的唯一可行方案。这需要在消声室中对比例模型进行大量的计算电磁 (CEM) 模型验证和测量。
结构的电尺寸和所覆盖的频谱需要满足大量的计算资源要求。FEKO 最先进的并行矩量法 (MoM) 求解器在开普敦的高性能计算中心 (CHPC) 运行，仅需几天即可完成仿真。
对于实际 MeerKAT 望远镜，可使用频率在 30 到 1000 MHz 的发射参考信号源 (ERS) 进行现场 RFI 测量。ERS 放置在距碟面 30 米处，在附近安装望远镜后可反映出所产生的任何 RF 耦合。传输功能（RF 源和接收器间的耦合测量）的测量结果和仿真结果十分吻合。这证明 FEKO 可用于严格的 RFI 研究和提供设计、布局、屏蔽和连接建议，以缓解这些超灵敏望远镜间的干扰。
“开普敦 CHPC 的 FEKO 建模对斯坦陵布什大学 MeerKAT 望远镜的 RFI 缓解研究至关重要。我们已成功验证了碟面比例模型，我们会继续使用 FEKO 研究电磁感应电流路径，并为南非 SKA 项目提供有关缓解 RFI 的建议，”南非斯坦陵布什大学 E & E 工程讲师 Gideon Wiid 博士说。
在消音室内对比例模型进行EMC 测量
结论
新求解器仍在不断增加或完善，以便日后解决由这一大项目所带来的挑战。特别是在低频极限下，物理光学 (PO)、物理绕射理论 (PTD) 和几何绕射理论 (GTD) 等传统渐进方法十分不可靠。改进各种求解器，特别是混合使用各求解器，对有效仿真这类频谱范围十分宽广的大型电气结构至关重要。FEKO 不仅对 (RFI) 缓解和防雷保护有重要价值，还对设计接收器（位于反射器焦点处）和天线整体增益计算（考虑例如大型结构的孔径阻挡、支柱和形变等影响）有重要作用。
