用于高頻地波雷達的收發一體化天線的制作方法

專利名稱：用于高頻地波雷達的收發一體化天線的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高頻地波雷達技術領域，尤其涉及一種用于高頻地波雷達的收發 一體化天線。
背景技術：
用于探測海洋表面流、海浪和風場的高頻海態雷達，往往采用相控陣天線實現雷 達波束方位掃描。為了增大探測距離，這種雷達一般采用幾兆赫茲到十幾兆赫茲的較低 工作頻率，天線陣長一般達幾百米甚至幾千米，例如加拿大研制的高頻地波雷達GWR(參見 IEEEJ. 0. E.，Vol. 19，No. 4，540，1994.)建設在海邊1，500米的狹長地帶上，接收天線為40 元振子，陣長800米；發射天線為對數周期天線，主塔高40米，距離接收天線陣中心800米。 這種采用龐大相控陣的雷達天線造價高，占地面積大，而在海邊很難找到可提供建造這種 雷達站的合適地帶，從而限制了這種雷達的廣泛應用。因此，如何簡化高頻海態雷達天線結 構、減小天線尺度一直是人們廣泛關心的技術難題。美國專利US4172255為近岸海洋動力學應用雷達(CODAR)發明了一種交叉環/單 極子(crossed-loops/monopole)天線及其相應的雷達數據處理方法，這種三單元天線系 統結構緊湊，占地很少，架設和維護十分方便，特別適合各種探測距離的海態雷達。我們之 前也研制了類似的接收天線，并取得專利(專利號ZL03254833. 8)。這些交叉環/單極子天 線有四根水平振子用作單極子的“地”，這使該天線復雜化。隨后我們研制了除掉四根水平 地振子的緊湊接收天線，并獲得專利(專利號ZL200920085881. 6)。這種單極子/交叉環接 收天線，加上單獨使用的單極子發射天線，雖然比傳統相控陣占地面積小了許多，但還可以 更加簡化。本實用新型收發一體化天線系統就是將以前的單極子/正交環天線除掉了四根 水平地鞭，變成偶極子/正交環天線，其中通過傳輸線變壓器實現饋電纜與偶極子之間的 不平衡_平衡變換，并可承受雷達發射機的額定射頻功率，獲得雷達必須的工作帶寬和駐 波比。在收發開關控制下，這個一桿支起的天線系統成為雷達的收發一體化天線，給便攜式 雷達的實際應用帶來方便。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種用于高頻地波雷達的收發一體化天線。為達到上述目的，本實用新型采用如下的技術方案由一根垂直桿支撐起的偶極子和水平面內兩個正交的有源鐵氧體環天線組成，其 中支桿是偶極子的下臂，環天線放大裝置是以具有50 Ω輸入阻抗的混合器和放大器IC組 成的帶通放大器；三個天線單元相互正交且具有共同的相位中心，其輸出端通過收發開關與雷達發 射機和接收機連接。在天線底座板上，安裝有支架、三個天線單元的饋電電纜接頭、巴侖，以及同時作
3為偶極子下臂的天線支桿；在支架上固定電路板，電路板正面安裝有鐵氧體原環天線及偶極子上臂插座，其 反面安裝有天線放大裝置中除原環天線以外的所有電路；偶極子上臂安裝在玻璃鋼防水盒頂端中心。安裝有偶極子上臂的玻璃鋼防水盒罩在正交環天線組件上，偶極子上臂根部接頭 插入電路板中心的插座內；防水盒固定在接好偶極子下臂的底座板上，偶極子和兩個環天線成為架設在一根 支桿上的收發一體化天線，三個天線單元相互正交，具有共同的相位中心。天線放大裝置由串聯諧振電路、混合器、放大器等組成，其中，每個環天線由鐵氧 體天線線圈與調諧可變電容接成串聯諧振電路，經過50 Ω輸入阻抗的混合器與放大器相 接；接頭多路復用，為放大器提供直流電源，并將放大器輸出送到天線輸出電纜。具有加載的上臂與同時作為天線系統支桿的下臂；偶極子下臂經過絕緣桿固定在天線基座上，該偶極子全長小于雷達工作波長的四 分之一。每個環天線對稱地繞在兩組共軸的短波鐵氧體磁棒上，環線圈繞組總長遠小于雷 達波長λ，環天線在水平面內的方向性成典型的8字形，每個環天線的兩半在中間隔開，在 其中心安裝有垂直偶極子，保障三個相互正交的天線元具有共同的相位中心。作接收天線使用時構成偶極子/正交有源環天線，其中偶極子接有巴侖，但未接 前置放大器；環天線接有前置放大器，組成有源環天線。本實用新型具有以下優點和積極效果1、與原來分立的單極子/交叉環接收天線和單極子發射天線相比，這種收發一體 化天線結構更加緊湊，占地面積進一步小，架設與維護更加方便；2、除掉了原來接收天線的四根水平地鞭，新型天線更加穩定可靠，更加美觀；3、本實用新型特制的流線型玻璃鋼防水盒強度高，輕巧美觀，抗風性能好；防紫外 輻射、防鹽霧腐蝕、防水性能好，使用壽命長；4、本實用新型既可作為收發一體的高頻地波雷達天線使用，又可單獨作為偶極子 /交叉環接收天線或偶極子發射天線單獨使用，增加了使用的靈活性；5、本實用新型天線架設可以不用三方拉繩，更加滿足用戶要求。

圖1是本實用新型提供的用于高頻地波雷達的收發一體化天線的結構組成圖。圖2是本實用新型提供的用于高頻地波雷達的收發一體化天線的放大裝置組成 框圖。圖3是本實用新型提供的用于高頻地波雷達的收發一體化天線的放大裝置的電 路圖。其中，圖1中10加20合成30，即收發一體化天線整體。102-防水盒，一種高強度流線型玻璃鋼防水盒；207-底座板，一種高強度膠木圓形板，與防水盒FSH配套；[0032]206-磁棒架，絕緣膠木制成的鐵氧體棒支架；201-磁棒，其上繞制環天線的高頻鐵氧體棒；11、22_鐵氧體環天線；33-偶極子天線，其中101為偶極子上臂，202為偶極子下臂；101-天線，固定在防水盒頂端中央的偶極子天線上臂；205-電路板，一種水平雙面印刷電路板；206-合金鋁板支架；202-支桿，同時作為偶極子天線下臂；203-絕緣棒，與支桿202連接使天線與地絕緣；F-天線放大裝置；111、221-串聯諧振電路；112、222-混合器；113、223_低噪聲帶通放大器；208-巴侖，實現偶極子與饋電電纜電之間平衡_不平衡轉換的傳輸線變壓器。
具體實施方式
本實用新型的目的是提供一種用于高頻地波雷達的收發一體化天線，采用以下技 術方案它由一根垂直桿支撐起的偶極子和水平面內兩個正交的有源鐵氧體環天線組成， 其中支桿是偶極子的下臂，環天線放大裝置是以具有50 Ω輸入阻抗的混合器和放大器IC 組成的帶通放大器；三個天線單元相互正交且具有共同的相位中心，其輸出端可通過收發 開關與雷達發射機和接收機連接，從而實現收發一體化的便攜式高頻地波雷達天線系統。①一種偶極子/正交有源環天線，由一根固定在流線型玻璃鋼防水盒底座板207 上適當長度的合金鋁桿202支撐，此桿同時作為偶極子的下臂；在底座板207上，還安裝有 支架206，三個天線單元的饋電電纜接頭，巴侖208等。在支架206上固定電路板205，電路 板205正面安裝有鐵氧體原環天線11、22及偶極子上臂101的插座，其反面安裝有天線放 大裝置F中除原環天線11、22以外的所有電路。偶極子上臂101安裝在玻璃鋼防水盒102 頂端中心，當防水盒罩住電路板組件并固定在底座板207上時，偶極子上臂根部接頭插入 電路板中心的插座。這樣組成的偶極子/正交環天線系統，其中三個天線單元相互正交，且 具有共同的相位中心。②電路板205正面相互正交安裝兩組鐵氧體環天線，其中每組環天線對稱地繞在 兩組共軸的短波鐵氧體磁棒上，環線圈繞組總長1遠小于雷達波長λ (比如1 < λ/10)， 保障高頻信號電流沿環線圈接近均勻分布，使環天線在水平面內的方向性圖成典型的8字 形。每個環天線的兩半在中間隔開，在它們的中心安裝垂直偶極子上臂101 ；而在防水盒底 座板207上安裝有偶極子下臂202，這就保障了三個相互正交的天線具有共同的相位中心。③由于在同一電波的激勵下環天線的輸出比偶極子的輸出小得多(約20dB)，而 雷達信號處理需要它們具有相等的電平，故偶極子不接前置放大器，環天線接有前置放大 器，組成有源環。調整兩個鐵氧體環天線參數和射頻放大器增益，使其輸出與偶極子輸出相 當，它們的相等的電平要進一步在接收機信號處理軟件中實現。按照美國CODAR信號處理
5方法，實現雷達天線的方位角掃描。 ④環天線的兩半中間接入微調電容，組成串聯諧振電路111和221，通過具有50 Q 輸入阻抗的混合器112和222分別與放大器113和223連接，構成帶通放大器，調整放大器 直流偏置電阻使放大器獲得30dB左右增益。在混合器入口有對接的抗干擾齊納二極管對 D1與D2，避免高強度信號使放大器過載。⑤環天線的特殊繞制方法使環天線只對入射電波的磁場分量敏感，而對同一電波 的電場分量不敏感，即環天線對電場具備了某種屏蔽作用，這就有效抑制了人為干擾的感 應場，從而明顯提高了信噪比。⑥偶極子通過巴侖208實現與50 Q射頻電纜的平衡-不平衡變換，能承受發射機 額定射頻功率，并具有雷達要求的頻帶寬度和駐波比。兩個環天線的輸出分別與環放大器 所需直流電源“多路復用”兩個TNC電纜插頭相接，偶極子輸出/輸入則采用N型接頭。三 個天線元通過相應的50 Q射頻電纜連接到收發開關。在收發開關控制下，發射期偶極子與 雷達發射機聯通，輻射雷達信號；偶極子與兩個環天線同時與雷達接收機斷開，避免接收機 過載。接收期偶極子與兩個環天線同時分別與接收機的三個通道輸入端聯通，接收雷達回 波信號。⑦本實用新型提供的偶極子/正交有源環天線，其鐵氧體環天線及耦合放大電路 和連接偶極子的巴侖208，用一個高強度玻璃鋼防水盒102安裝，該盒的頂端中央固定加載 偶極子上臂101，底座板207中央固定同時作為支桿的偶極子下臂202，支桿底部接有絕緣 棒203，垂直固定在天線基座上，避免使用三方拉繩。底座板207上印制有天線方位標識箭 頭。⑧該收發一體化天線安裝時，用GPS將天線底座板207上的方位標識箭頭旋轉到 雷達需要的方位，隨后用天線基座上四個方向的螺釘固定。此時，天線的實際方位數值必須 記入雷達的相關軟件中。下面以具體實施例結合附圖對本實用新型作進一步說明參見圖1，本實用新型提供的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，采用以下技術 方案在天線底座板207上，安裝有一個巴侖208，4塊支架206，支桿202，以及三個天線 單元的電纜接頭；4塊支架206上固定電路板205。電路板205正面安裝有鐵氧體原環天線 11、22及偶極子上臂插座，其反面安裝有天線放大器F中除原環天線11、22以外的所有電 路。偶極子上臂101固定在防水盒102頂端中央。當防水盒102罩上電路板組件時，偶極 子上臂根部接頭插入電路板205中心的偶極子上臂插座內，此時，用螺釘把防水盒102固定 在底座板207上。流線型玻璃鋼防水盒既美觀又減小了風阻力。兩個原環天線11、22分別由兩組長為1、直徑為2a的短波磁棒上的兩半組成，它 們在電路板205的正面水平固定，且環天線11與環天線22正交；每個環天線的兩半之間留 一適當空隙，在該空隙中心與二環垂直安裝高為h的偶極子上臂101。偶極子下臂202與 巴侖208組合固定在底座板207上，其連接方法是使巴侖成為偶極子與饋電電纜之間的平 衡_不平衡四比一變換器。這樣，環天線11、環天線22、偶極子33三天線相互正交且具有 共同的相位中心。上述兩個環天線分別由相同的兩半組成，為了提高環天線的Q值，各用直徑為2b的高強度漆包線在每組磁棒上來回間繞N/2圈，線圈繞制方向使得兩半線圈在al、a2端串 接后輸出端A1-A2的信號相加；總圈數N由線圈輸入電阻達到50 Q左右確定。上述環天線線圈如圖1所示沿磁棒軸線在正、反方向上來回間繞相同圈數，這種 特殊的繞制方法使環天線只對入射電波的磁場分量敏感，而對同一電波的電場分量不敏 感，即環天線對電場具備了某種屏蔽作用，這就有效抑制了人為干擾的感應場，從而明顯提 高了信噪比，并避免了環天線8字形方向性圖由于接收沿磁棒軸的縱向電場分量引起的畸 變。特別是在收發一體化天線系統中，由于如此繞制的環天線的這種對電場的屏蔽特性， 有源環天線放大器有可能免除“壓地波”技術的復雜結構。盡管如此，本實用新型在混合器 112和222的輸入端加接了對接的齊納二極管對Dl、D2抗干擾電路。本實用新型通過與支桿202連成整體的絕緣棒203固定在天線基座上，不需要拉 繩，整體外形如圖1中30所示。天線整體高度由雷達工作頻率決定，不超過雷達波長的四 分之一。本實用新型通過收發開關與雷達發射機和接收機連接。在發射期，收發開關使偶 極子33與發射機聯通，輻射雷達射頻信號，同時三天線與接收機斷開，避免強信號使雷達 接收機過載。在接收期，收發開關使偶極子33與發射機斷開，而使三個天線單元與雷達的 三通道接收機聯通，接收雷達回波。在接收期，本實用新型的三個天線輸出信號在接收機處理中進一步用軟件校正其 幅度和相位，使三個信號達到平衡，按照特別的定向算法完成雷達數據處理。如圖2所示，有源環天線放大裝置F由串聯諧振電路111和221、帶有抗干擾網絡 D1、D2的混合器112和222，以及放大器113和223等組成，其連接關系是環天線由繞在兩組高頻鐵氧體棒上的LI、L2串聯而成，與外接串聯電容C1、C2形 成串聯諧振電路111 (221)，其頻帶寬度覆蓋雷達工作帶寬；齊納二極管Dl、D2組成的抗干 擾網絡抑制了雷達發射的本地干擾(即“壓地波”)并對其它浪涌電壓鉗位，有效抑制了強 干擾；串聯諧振電路111 (221)通過抗干擾網絡與混合器112 (222)連接，其單端輸出連接到 放大器113(223)。放大器113(223)的輸出和直流偏置電源“多路復用”電纜接頭TNC。在圖3中，環天線22的電路完全與環天線22相同。巴侖208是典型的4 1傳 輸線變壓器，能承受雷達發射機額定輸出功率，實現偶極子33與50 Q電纜之間的平衡-不 平衡變換，且使偶極子天線具有雷達需要的頻帶寬度和駐波比。
權利要求一種用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于，包括由一根垂直桿支撐起的偶極子和水平面內兩個正交的有源鐵氧體環天線組成，其中支桿是偶極子的下臂，環天線放大裝置是以具有50Ω輸入阻抗的混合器和放大器IC組成的帶通放大器；三個天線單元相互正交且具有共同的相位中心，其輸出端通過收發開關與雷達發射機和接收機連接。
2.根據權利要求1所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于在天線底座板上，安裝有支架、三個天線單元的饋電電纜接頭、巴侖，以及同時作為偶 極子下臂的天線支桿；在支架上固定電路板，電路板正面安裝有鐵氧體原環天線及偶極子上臂插座，其反面 安裝有天線放大裝置中除原環天線以外的所有電路；偶極子上臂安裝在玻璃鋼防水盒頂端中心。
3.根據權利要求2所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于安裝有偶極子上臂的玻璃鋼防水盒罩在正交環天線組件上，偶極子上臂根部接頭插入 電路板中心的插座內；防水盒固定在接好偶極子下臂的底座板上，偶極子和兩個環天線成為架設在一根支桿 上的收發一體化天線，三個天線單元相互正交，具有共同的相位中心。
4.根據權利要求1所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于天線放大裝置由串聯諧振電路、混合器、放大器組成，其中，每個環天線由鐵氧體天線 線圈與調諧可變電容接成串聯諧振電路，經過50Ω輸入阻抗的混合器與放大器相接；接頭 多路復用，為放大器提供直流電源，并將放大器輸出送到天線輸出電纜。
5.根據權利要求1所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于具有加載的上臂與同時作為天線系統支桿的下臂；偶極子下臂經過絕緣桿固定在天線基座上，該偶極子全長小于雷達工作波長的四分之ο
6.根據權利要求1-5中任一項所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于每個環天線對稱地繞在兩組共軸的短波鐵氧體磁棒上，環線圈繞組總長遠小于雷達波 長λ，環天線在水平面內的方向性成典型的8字形，每個環天線的兩半在中間隔開，在其中 心安裝有垂直偶極子，保障三個相互正交的天線單元具有共同的相位中心。
7.根據權利要求6所述的用于高頻地波雷達的收發一體化天線，其特征在于作接收天線使用時構成偶極子/正交有源環天線，其中偶極子接有巴侖，但未接前置 放大器；環天線接有前置放大器，組成有源環天線。
專利摘要本實用新型涉及高頻地波雷達技術領域，尤其涉及一種用于高頻地波雷達的收發一體化天線。本實用新型由一根加載垂直偶極子和水平面內兩個正交的有源鐵氧體環天線組成，其中有源環天線放大裝置以具有50歐姆輸入阻抗的混合器和集成芯片組成，而加載垂直偶極子通過巴侖與饋電端口相接，巴侖和兩組正交環天線組裝在一個圓形玻璃鋼防水盒內，該防水盒頂端和底端分別固定加載偶極子上臂與同時作為天線系統支桿主體部分的偶極子下臂。本實用新型與原來便攜式高頻探海雷達兩根桿子組成的接收天線和發射天線比較起來，結構更加緊湊，占地面積更小；由于不需要拉繩，架設與維護更加方便，因此更受用戶歡迎，使采用這種天線的便攜式高頻地波雷達有廣闊的應用前景。
文檔編號H01Q7/08GK201766168SQ20102022964
公開日2011年3月16日 申請日期2010年6月12日 優先權日2010年6月12日
發明者吳世才, 周浩, 文必洋, 石振華 申請人:武漢大學