高频地波雷达收发共用相控阵天线的制作方法

文档序号:7098220阅读:850来源:国知局
专利名称:高频地波雷达收发共用相控阵天线的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种天线,具体地说是一种由中馈天线组成的高频地波雷达收发共用的相控阵天线。
目前用于探测海态及海面移动目标的高频地波雷达,为了实现雷达波束方位扫描,提高测量精度及增大探测距离,往往采用相控阵天线。由于这种雷达工作频率低,天线阵长一般达几百米甚至几千米。如加拿大研制的高频地波雷达HF-GWR(IEEEJ.O.E,Vol.19,No.4,540,1994.)建设在海边1,500米的狭长地带上,接收天线为40元振子,阵长880米;发射天线为对数周期天线,主塔高40米,距接收天线阵中心800米。这种雷达天线造价高,占地面积大,在海边很难找到可以提供建造这种雷达站的合适地带,从而限制了这种雷达的广泛使用。如何简化高频雷达天线结构、缩小天线尺度一直是人们关心的技术难题。美国专利U.S.Pat.No.4172255、5361072为近岸海洋动力学应用雷达(CODAR)提出了一种正交环/单极子天线,这种三单元天线结构紧凑,成本低廉,架设方便,但由于发射天线和接收天线增益太低,只适用于近海探测。日本研制的高频地波雷达(通信综合研究所季报,短波海洋レ一ダ,Vol.37,No.3,1991:343~437)采用了收发天线共用技术,利用收发开关控制使发射和接收共用一副8元双排相控阵天线,简化了天线结构,且使收发天线增益都较高,但该雷达只能工作在一个固定的频率上,若需改变频率,就会大大加重发射相控阵天线的调整与测试困难。
为了克服上述各种雷达天线的缺陷,本实用新型的目的是提供一种高频地波雷达收发共用相控阵天线,这种天线应具有结构简单、占地面积小、成本低、调试方便等特点,且适用于中等距离探测的高频地波雷达收发共用的相控阵天线。
为实现上述目的,本实用新型所采用的技术方案如下一种高频地波雷达收发共用的相控阵天线,包括天线和地网两部分,其中的天线是由八组二元八木构组的直线阵,阵长D小于4倍雷达波长(λ),每一组二元八木中的有源天线Ai(i=1,2,…8,下同)是外壳为玻璃钢保护的中馈天线,高hA小于λ/4;其后相距l处是用合金铝管制成的为反射器用的垂直接地振子Fi,高hF等于λ/4。
选取二天线高hA、hF及其间距l使二元八木天线方向性图主波束宽度Φ在雷达工作频带上等于雷达照射扇角,且使方向性图具有较大的前后比。每组二元八木沿阵轴线相距d,为了避免方向性图出现栅瓣、尽量减小阵长而又使天线阵具有一定的增益,保证 本实用新型的高频地波雷达收发共用的相控阵天线采取一组天线发射,八组天线接收的一发八收、收发共用的工作模式。接收为八组二元八木组成的八元相控阵,阵方向性图主波束宽为φ,用数字波束形成(DBF)在雷达照射扇角Φ内实现方位扫描,或者用“多重信号分类(MUSIC)算法”实现回波到达方向的超分辨率扫描。发射天线为阵中的第5根天线A5与阵中其它天线单元组成的特殊子阵,发射机仅给A5馈电,发射子阵的辐射方向性图波束宽度Φ满足雷达照射扇角要求。
八个高频宽带收发开关TRi实现上述天线阵一发八收、收发共用。收发开关与发射机共处紧临天线阵后方的发射室内。收发天关TR5实际上相当于一个单刀双掷开关,其公共端点ai用等长度射频电缆bi与中馈天线Ai相接,两个动点中的ri通过等长度电缆ci与接收机Ri相连,另一个动点t5通过短射频电缆S与发射机T相连,用于接收的另7个收发开关的发射支路不用。在控制脉冲的作用下,收发开关在发射期内使天线A5与发射机T连通,同时使天线Ai与接收机Ri断开;在接收期内使天线Ai与接收机Ri连通,同时使天线A5与发射机T断开,从而使一副天线阵实现一发八收、收发共用的特殊工作模式。
本相控阵天线的地网用8号镀锌铁丝制成,纵向、横向间距为 的“井”字网格形状,每根天线单元底座处除有上述“井”字网点的4根网线外,还有4根与“井”字网线成45°角的斜拉网线,使每根天线根部的8根网线成辐射状。每个网格点焊牢。每根天线底座接地装置深埋1.5米,且就近与网点焊牢。接收室、发射室、天线阵之间所有射频电缆、控制电缆及电源线均在地沟中走线,并设有良好的接地装置。
本实用新型提出的高频地波雷达相控阵天线,通过数字波束形成(DBF)完成接收波束方位扫描,其特点是,由八组二元八木组成直线阵,阵长D小于4λ,用收发开关实现一副天线收发共用,与发射和接收分别采用两副复杂天线系统的雷达天线相比,节省了天线架设费用和维护费用,占地面积大大减小。同时由于本天线阵以一发八收模式工作,接收天线为八组二元八木组成的相控阵,以数字波束形成实现方位扫描,与紧凑的正交环/单极天线相比,提高了天线增益,从而增大了探测距离。发射天线为阵中5号天线A5及阵中其它天线元组成的子阵,形成覆盖雷达照射区的方向性图,避免了发射天线为相控阵时8个发射通道调试困难,使8个增益和相位要求稳定且可以用计算机控制的发射通道简化为1个通道,大大简化了雷达系统,提高了系统的稳定性和可靠性,同时也简化了天线特性调整与测试方面的困难。
本实用新型提出的相控阵天线,有源天线Ai为玻璃钢外壳的中馈天线,其特点是不仅强度高、抗腐蚀能力好、效率高,且与一般垂直单极天线相比,电特性受地形地物影响较小,在雷达工作频带内阻抗特性变化平缓,驻波比小于3。
本实用新型提出的相控阵天线地网的特点是主体为 间距的“井”字网状,每根天线底座除有“井”字网点通过外,还有4根与“井”字网线成45°角的斜拉网线,使每根天线根部8根网线成辐射状,从而保证天线具有良好辐射特性时避免过密地网造成的浪费。
以下结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步详细说明。


图1是本实用新型相控阵天线组成结构及其与雷达主机连接框图。
图2是图1所示框图中发射天线子阵方向性图。
图3是图1所示框图中接收天线阵方向性图。
图4是图1所示相控阵天线地网在两组二元八木底座附近的平面结构图。
一种高频地波雷达收发共用的相控阵天线,包括天线和地网两部分,图1所描述的高频地波雷达相控阵天线,工作频率范围为6~9MHz,中心波长λ为40米。前排有源中馈天线Ai(i=1,2,…8,下同)高hA为7米,设两层拉线;后排反射器Fi高hF为10米,设三层拉线。Ai与Fi的间距l为8米,由八组二元八木天线排列在一条直线上构成阵列,两组二元八木之间沿阵轴线的距离d为16米。天线阵含地网占地面积为25米宽×130米长。收发开关与发射机共处发射室中,发射室建于天线阵中央后部30米处,每个收发开关TRi的定点ai用长度bi等于80米的射频电缆与对应的中馈天线Ai连接。收发开关TR5的两个动点中的t5用长度s等于1米的射频电缆与发射机输出端T相接。高频地波雷达的其它部件置于接收室中,接收室同样处于天线阵后方,距发射室100米。收发开关TRi两个动点中的ri用长度ci等于100米的射频电缆与对应的接收机Ri连接。电缆bi,c1及其它控制电缆、电源线均在地沟中走线。
图1所描述的相控阵天线,由八个收发开关TRi控制实现一组天线发射、八组天线接收的一发八收、收发共用工作模式。每个收发开关实质上相当于一个单刀双掷开关,ai是定点,ri和ti是两个动点。在发射期内,收发开关TR5的定点a5与两个动点中的t5接通,这就使中馈天线A5与发射机T接通,实现雷达信号的辐射;同时所有天线均与相应的接收机断开,并闭锁全部接收机,从而在发射期保护了接收机。图2示出发射天线子阵的方向性图,在6~9MHz频带内主波束宽度Φ大于90°,前后比大于3dB。在接收期内,收发开关TRi的定点ai与两个动点中的r1接通,从而使中馈天线Ai与对应的接收机Ri接通,同时使第5号中馈天线A5与发射机T断开,实现回波的接收。用数字波束形成实现波束的方位扫描,图3示出接收天线阵的方向性图及波束扫描方位。阵方向性图在阵法线方向主波束宽度φ约为15°,在与阵法线成±45°的扇角内扫描8个方位。
图1所描述的相控阵天线的地网建在25米宽×130米长的平整地面上,线材为直径4毫米的8号镀锌铁丝。“井”字形网格主体间距N为2米,每根天线底座处的斜拉网线与“井”字网线成45°角,使每根天线根部的8根网线成辐射状。图4示出了两组二元八木天线附近的地网局部结构。
在采用图1所示相控阵天线的高频地波雷达典型实例中,使用调频中断连续波(FMICW)波形及100瓦平均发射功率,已成功探测到200公里的海流,在白天干扰比较小的情况下,最大探测距离有时可达到350公里。
权利要求1.一种高频地波雷达收发共用相控阵天线,包括天线和地网,其特征在于所述的天线是由八组二元八木构组的直线阵,其阵长D小于4倍雷达波长λ,每一组二元八木中的有源天线Ai是外壳为玻璃钢保护的中馈天线,高hA小于λ/4;其后相距l处是用合金铝管制成的为反射器用的垂直接地振子Fi,高hF等于λ/4,二天线高hA、hF及其间距l使二元八木方向性图主波束宽度Φ在雷达工作频带上等于雷达照射扇角,且使方向性图具有较大的前后比,每组二元八木沿阵轴线相距d的取值为 ,中馈天线A1~A8通过八个收发开关TR1~TR8的接点r1-r5分别与对应的接收机Ri~R8连接,收发开关TR5的另一个接点t5通过短射频电缆S与发射机T相连。
2.根据权利要求1所述的高频地波雷达收发共用相控阵天线,其特征在于所述的地网主体为间距N等于 雷达波长的“井”字形网格,每根天线根部有与“井”字网线成45°角的4根斜拉网线,使每根天线根部8根网线成辐射状。
3.根据权利要求2所述的高频地波雷达收发共用相控阵天线,其特征在于所述的地网中每个网格点焊牢,每根天线底座处接地装置深埋1.5米,就近与网格点焊牢。
专利摘要本实用新型是一种适用于高频地波雷达的相控阵天线,包括天线和地网,其中的天线由八组二元八木构成,八根有源天线A
文档编号H01Q3/24GK2441229SQ00230868
公开日2001年8月1日 申请日期2000年9月14日 优先权日2000年9月14日
发明者吴世才, 杨子杰, 高火清, 文必洋 申请人:武汉大学
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