用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统技术方案

本发明专利技术公开了用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，该系统将可在双频下同时接收雷达回波信号的两个水平正交环天线和可在双频下交替用于发射和接收雷达信号的垂直单极子组合在一根支杆上；用于目标方向测定（DF）时，利用两个正交环接收回波信号的内在本质特征直接得到接收天线的理想方向性图，不需要进行天线方向性图的麻烦的现场测量；而且同时采用两个频率工作的雷达极大地提高了探测性能。天线支杆组成单极子的一部分，具有很强的刚性，因而使该天线系统固定在混凝土基座上不需要拉绳。

【技术实现步骤摘要】
用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统
本专利技术涉及高频地波雷达
，尤其涉及一种用于双频工作状态下的高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆天线。
技术介绍
50年前已经开始使用高频地波雷达。为了增大探测距离，这种雷达一般采用几兆赫兹到十几兆赫兹的较低工作频率；为了提高探测目标方位的精度，通常采用相控阵天线，天线阵长一般达几百米甚至几千米。所有的岸基高频雷达都必须架设在海边，而海边要找到适合架设这种庞大天线阵的场地十分困难，加上维护成本高，从而限制了这种雷达的广泛应用。因此，如何简化高频海态雷达天线结构、减小天线尺度一直是人们广泛关心的技术难题。美国专利US4172255为高频海洋雷达专利技术了一种交叉环/单极子天线及其相应的雷达数据处理方法，这种三单元天线系统结构紧凑，占地很少，架设和维护十分方便，特别适合各种探测距离的高频海态雷达。我们于2004年也研制了类似的“单极子/正交有源环天线”(专利号:ZL03254833.8)。这些交叉环/单极子天线有四根水平振子用作单极子的“地”，这使该天线复杂化。2010年我们研制了除掉四根水平地振子的“便携式高频探海雷达的紧凑接收天线”(专利号:ZL200920086180.4)。这种单极子/交叉环接收天线，加上单独使用的单极子发射天线，虽然比传统相控阵占地面积小了许多，但还可以更加简化。于是，我们将以前的单极子/正交环天线除掉了四根水平地鞭，变成偶极子/正交环天线，其中通过传输线变压器实现馈电电缆与偶极子之间的不平衡-平衡变换，并可承受雷达发射机的额定射频功率，获得雷达必须的工作带宽和驻波比。在收发开关控制下，这个一杆支起的天线系统成为雷达的收发一体化天线，给便携式雷达的实际应用带来方便。这就是2011年获得的专利“用于高频地波雷达的收发一体化天线”(专利号:ZL201020229647.9)。然而，为了增强便携式高频地波雷达的功能，进一步改善其性能，提出了多频工作方式。例如，由于海水的“趋肤效应”，工作频率13MHz的雷达探测海面下水深2m左右的海流；由于海浪谱的“饱和效应”，能探测的最大有效浪高仅约为7m。而工作频率7MHz的雷达探测海面下水深3.5m左右的海流，能探测的最大有效浪高约为13.6m。显然，不同频率能够探测到海流随水深的变化。一般来说，雷达工作频率较高，探测数据的精度较高，但探测距离较近，能探测的最大浪高较小；频率较低，探测数据精度较低，但探测距离较远，能探测的最大浪高较大。另外，用于探测海面移动目标时，不同频率易于发现被一阶海洋回波淹没的目标回波。因此，采用多个频率工作的雷达，性能的改善是显而易见的。为了满足这种需求，我们获得专利技术专利“用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线”(公开号：102904024A)。几十年来，困扰这种紧凑的高频雷达天线的另一个问题是，为了保障测量得到海上目标方位精度，必须实地测量雷达接收天线的方向性图。其传统作法是在船上安装应答器天线，让船在围绕雷达站等距离的海面航行接收应答器发射信号，记录雷达回波信号强度随船体位置的变化，从而得到雷达接收天线的方向性图。这显然是一项十分麻烦的工作。本专利技术将双频正交环接收天线和双频收发共用的单极子组合在一根支杆上，构成适用于高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆天线，进一步减小了天线场地，降低了雷达站建设成本；与此同时，利用水平正交环接收雷达回波信号的内在本质特征，第一次直接从正交环接收回波信号得到接收天线的理想方向性图，不仅免除了世界上通常实地测量接收天线方向性图的麻烦，提高了雷达实际探测能力，还大大降低了对雷达建站环境条件的要求。专利技术专利(公开号：203519823U)为该天线系统的双频收发共用单极子提供了收发开关，而专利技术专利(公开号：104659491A)为该天线系统接收回波信号处理提供了目标方位角估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于便携式高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆的紧凑天线系统，其中双频单极子作为发射天线时，两个频率的辐射方向性图主瓣都沿地面；双频正交环和单极子作为接收天线测定目标方向(DF)时，利用两个正交环接收雷达回波的内在本质特征直接得到接收天线的理想“8”字形方向性图，不需要在海上现场测量接收天线方向性图。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，包括上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、馈电底座DZ和基座JZ，上述部件自上而下依次连接，通过基座JZ直立地架设在地面上；基座JZ上接有8根以上长为四分之一雷达波长且成辐射状地平铺在地面的导线，形成改善地面导电性能的地网。而且，陷波器XBQ包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接上天线体STX的接头，管状外壳下端设有用于连接防水盒FSH的接头；管状外壳内部在上下接头之间设置三个集总元件LCR并联回路，其中L为绕在绝缘棒上粗导线线圈的电感，C为高压低损耗电容，R为大功率大阻值电阻；所述并联回路的谐振频率等于雷达较高的工作频率而且，防水盒FSH固定在底板DB上；而底板DB上还安装有电路板DLB，其上固定有用于接收雷达回波信号的两个相互正交的铁氧体环天线AH和BH。其中每个铁氧体环天线由两半组成，它们由导线绕在共轴的铁氧体棒上线圈组成，其电感为L1和L2，在它们之间串联一只由高速电子开关控制的两个可调节电容C；当雷达工作频率为f1时，调节该电容使之等于C1，且满足当雷达工作频率为f2时，调节该电容使之等于C2，且满足而且，每个环天线接收雷达回波信号通过匹配变压器BYQ耦合到放大器F，随后通过回波信号与供电直流“多路复用”的接头SMA输出。上述可变电容C、电子开关K、变压器BYQ、放大器F、接头SMA及其他几个元件都安装在电路板DLB上；转接两个回波输出接头SMA和一个控制输入接头SMA的3个TNC接头则安装在防水盒底板DB的中央。连接3个TNC接头的3根电缆穿过下天线体XTX及其底座DZ，最后与安装在该底座DZ上的单极子底馈电缆一起从该天线基座JZ的侧孔引出。而且，上天线体STX、陷波器XBQ、下天线体XTX组成双频单极子收发共用天线，该双频单极子收发共用天线与防水盒内的两个水平正交的双频环天线AH和BH共同建构在一根垂直支杆上；这3组天线的轴线相互正交，其相位中心在与单极子重合的垂直轴线上；防水盒固定在下天线体顶端，处于上天线体和下天线体中间的陷波器固定在防水盒顶端。而且，两个水平正交环AH与BH接收雷达回波信号的内在本质特征是：从任一方向θ到达天线体的垂直极化的海洋雷达回波，其磁场与传播矢量垂直，而回波磁场在两个正交的环天线轴线上的分量分别为a＝Hsinθ和b＝Hcosθ，且a2+b2＝H2，即存在下列关系：众所周知，环上感应的电压正比于垂直穿过环面积的磁通量，即V(θ)＝ωμSNH(θ)，其中ω是雷达圆频率，μ是铁氧体棒的有效磁导率，S是环面积，N是铁氧体环线圈圈数。因此，AH接收回波信号电压为a(θ)＝ωμSNHsinθ，BH接收回波信号强度为b(θ)＝ωμSNHcosθ，回波电压模量为因此，如果两个正交环接收回波信号电压分别按回波电压模量归一化就得到：这与(1)式及(2)式的形式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：包括上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、馈电底座DZ和基座JZ，上述部件自上而下依次连接，通过基座JZ直立地架设在地面上；基座JZ上接有8根以上长为四分之一雷达波长且成辐射状地平铺在地面的导线，形成改善地面导电性能的地网。

【技术特征摘要】
1.一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：将双频正交环接收天线和双频收发共用的单极子组合在一根支杆上；包括上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、馈电底座DZ和基座JZ，上述部件自上而下依次连接，通过基座JZ直立地架设在地面上；基座JZ上接有8根以上长为四分之一雷达波长且成辐射状地平铺在地面的导线，形成改善地面导电性能的地网；所述陷波器XBQ包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接上天线体STX的上接头SJT，管状外壳下端设有用于连接防水盒FSH的下接头XJT；管状外壳内部在上接头和下接头之间设置三个集总元件LCR并联回路；所述陷波器XBQ下接头通过插头CT与设在防水盒FSH内的电路板DLB中心的下天线体XTX的插头端子连接；所述上天线体STX由两节玻璃钢天线组成；下天线体XTX由两节合金铝管组成，下天线体合金铝管外包玻璃钢；下天线体合金铝管中有从防水盒固定底板下引出的接收天线部分3根电缆穿过，下天线体及其底座有很好的刚性，使该天线系统固定在混泥土基座上时不需要拉绳固定；所述防水盒FSH固定在底板DB上；底板DB上还安装有电路板DLB，电路板DLB上固定有用于接收雷达回波信号的两个相互正交的铁氧体环天线AH和BH；所述上天线体STX、陷波器XBQ、下天线体XTX组成双频单极子收发共用天线，该双频单极子收发共用天线与防水盒内的两个水平正交的双频环天线AH和BH共同建构在一根垂直支杆上；这3组天线的轴线相互正交，其相位中心在与单极子重合的垂直轴线上；防水盒固定在下天线体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世才，文必洋，周浩，田应伟，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42