近日 ， FAST望远镜主战装备之一的19波束接收机完成了地面实验室测试 ， 已经安装到望远镜上进行下一步调试 。 比起传统的单波束接收机 ， 多波束接收机的使用能够大大提高射电望远镜的观测效率 。
那什么是单波束接收机？什么又是多波束接收机？它们又有什么优缺点呢？
图1：左图为FAST 19波束接收机系统整体；右图为其内部的19个喇叭接收单元 。 （图片来源：https://ieeexplore.ieee.org/document/8251424/）
单波束接收机
大家对射电望远镜想必都不陌生 ， 毕竟已经被FAST刷屏好几次了 ， 不就是一个大锅嘛~然而 ， “大锅”只是望远镜的一部分 ， 它只相当于照相机的镜头 ， 负责将电磁波汇聚到焦平面处 。 但要把汇聚到焦平面的电磁波进一步接收下来并转变为可供分析的信号 ， 还需要在焦平面处放置接收机 。
对于照相机我们知道 ， 其焦平面处会有一块含有多个感光元件的芯片 。 而对于射电望远镜来说 ， 接收机就是其所使用的感光元件 。 接收机的尺寸往往很大 ， 以至于望远镜焦平面处只能放置少数甚至只能放置一套接收机 。 而即使放置了多个接收机 ， 使用的时候往往也只能使用其中一个 。 这种单次单个使用的接收机 ， 使得望远镜每次观测只有一个波束对准天空 ， 也就是只能拍摄到天空上一个像素点的信息 ， 因此我们称之为“单波束接收机” 。
图2：新疆天文台南山观测基地26米射电望远镜 。 图片放大部分是其焦平面上放置的多套接收机 ， 每次观测只用其中一套接收机 。
接收机的尺寸和观测波长一般成正比关系 ， 也就是说观测波长越长 ， 所使用的接收机尺寸就会越大 。 一个接收机能有多大？来张照片你们体会一下 。
图3：笔者之一在上海天文台天马65米射电望远镜焦平面处与某两个接收机局部（左侧白色锥体 ， 专业上叫喇叭天线）的合影 。 注意这只是接收机露在舱体外面的一部分而已 。
多波束接收机
多波束接收机 ， 顾名思义就是由同时工作的多个接收机组成的接收机套装 ， 它可以在一次观测中产生多个波束对准天空 ， 从而可以得到多个像素点上面提到 ， 接收机的大小和观测波长成正比 ， 因此射电天文的接收机有可能会很大 。 这就带来一个问题 ， 望远镜焦平面的空间是有限的 ， 为了放置更多的接收机 ， 必须将每个单元尽量做小 ， 而且在放置的时候需要更加紧凑 。
为什么多波束接收机必须紧凑排布呢？我们用小孔成像来做一个简单示意 。
图4：小孔成像示意图
相信很多人都知道 ， 当一个光源发出的光穿过一个小孔后 ， 可以在白屏上看到光源的成像 。 我们用多根点燃的蜡烛模拟多颗星星 ， 它们的光穿过小孔（相当于射电望远镜的“大锅”）之后 ， 会在白屏（相当于我们前面说的焦平面）上成像 。 我们会发现 ， 白屏中间成像是最明亮的（即中间那颗蜡烛S3所成的像M3） 。
单波束接收机相当于被放在焦平面中间 ， 只去接收那个最亮的信号；而多波束接收机相当于在焦平面中间附近再放置几个接收机单元 ， 把稍微暗弱点的信号也同时接收了 。 这就出现一个问题 ， 如果离焦平面中心太远的话 ， 信号会变得过于弱 。 工程上通常认为 ， 光的强度下降超过20%就不可用了 。 所以多波束接收机的多个单元必须紧凑排布 。
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