一种便携式高频地波雷达的双频段发射中馈天线的制作方法

本实用新型涉及一种便携式高频地波雷达的紧凑型天线系统，具体地说，涉及一种其特征在于由天线上节SA、陷波器XBQ、天线中节ZA、天线下节WB、基座JZ等五部分组成双频段发射中馈天线。

背景技术：

用于探测海洋表面流、海浪和风场的便携式高频海态雷达，由于采用了紧凑的单极子作为发射天线，采用紧凑的单极子交叉环作为接收天线，不需要开辟宽阔的天线场，极大地降低了雷达站的建设和维护费用，海边应用十分方便灵活，因此，这种便携式雷达在当今世界投入运行的高频地波雷达总数中占90﹪。

目前，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；频率较低，探测数据精度较低，但探测距离较远。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。采用多个频率工作的雷达，性能的改善是显而易见的。

传统的对数周期天线可工作在很宽的频带上，但其结构庞大复杂，完全不适合于便携式高频地波雷达。

文献1(吴世才等，用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，实用新型专利号：ZL 2012 1 0411260.9，授权公告日2015-4-29)提供了一种双频单极子发射天线，而且每个频率的辐射方向图主瓣都沿地面，但由于垂直单极子辐射电流波腹接近地面，实际使用中这种单极子的特性受地面环境的影响很大，导致高频探海雷达的性能受到严重影响。

文献2(高火涛吴世才等，加载中馈天线电特性的研究，电波科学学报， Vol.15，No.3，2000.9)从理论上较精确地分析了加载中馈天线的电特性，归纳了这种天线的设计步骤，特别指出，加载中馈天线对地隔离、减少周围地物环境影响、改善天线中的电流分布、展宽频带、保持天线的电特性在所要求的带宽内保持基本不变，具有较高的辐射效率，且辐射波瓣幅值趋近于地面。

技术实现要素：

本实用新型所公开的一种地面上的垂直单杆双频段中馈天线，改变了背景技术中传统单极子、双频单极子以及经典中馈天线的概念和性能，能同时工作在两个频段上，具有优良的地面波特性，从而更适合用作多频段地波雷达的发射天线。

本实用新型的目的是提供一种适用于便携式高频地波雷达的双频段发射中馈天线系统。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

它由天线上节SA、陷波器XBQ、天线中节ZA、天线下节WB、基座JZ等五部分连接而成，天线上节SA和天线中节ZA之间接有陷波器XBQ；天线中节 ZA底端与天线下节WB中的电缆芯线顶端连接；天线下节WB与天线基座JZ 衔接；具体地说，有：

(1)一根天线上节SA，用外包玻璃钢的铜导体制成，其高为h3，下端安有连接陷波器的铜接头。

(2)一个陷波器XBQ组件，其上下两端的铜接头TJT，分别与上下两节天线连接；两个接头旋接一根粗玻璃钢管BLG。该粗玻璃钢管内含有一个细玻璃钢管制作的电感线圈Lx，一个支架上焊接的电容Cx与电感Lx并联组成谐振回路，该谐振回路两端引线穿过上下接头中孔，由螺钉紧密固定在接头槽中。

为了便于调整，预制陷波器XBQ时，电感Lx不宜过大，使并联谐振电容 Cx远大于电感的分布电容。取电感Lx和电容Cx之合适值，使其谐振在雷达的较高工作频率f2；其中Cx是耐高压的优质电容。

(3)一根天线中节ZA，用外包玻璃钢的铜导体制成，导体顶部附近接有加载电感L，通过铜接头与上部的陷波器XBQ衔接；其高为h2，下端安有连接天线下节WB的铜接头。

(4)一根天线下节WB，用外包玻璃钢管的一截发射电缆制成，其高为h1，与发射电缆芯导体焊接的上端铜接头与天线中节底端衔接，与发射电缆屏蔽层焊接的下端接头内螺纹与基座JZ接头旋接，而且两个相衔接的接头的结构设计保障上下电缆的芯线相接，上下电缆的外屏蔽层相接。

(5)一个馈电基座，主要由天线黄铜接头JT、防水玻璃钢基座JZ、合金铝底板DB、不锈钢基座JJZ和发射电缆接头DLT等组成。底板DB用6个M4螺钉固定在玻璃钢基座JZ下面，两者间安有圆形防水圈FSQ。底板DB下方制作有防水槽FSC。玻璃钢JZ整体结构设计实现了优良的防水性能。

玻璃钢基座JZ主要由传输线变压器BYQ、电缆扼流圈ELQ和射频输入电缆接头DLT和外包玻璃钢基座构成，其中BYQ为绕制在铁氧体环上接成1:4的传输线变压器；ELQ为绕制在一组铁氧体环上的电缆扼流圈。

(6)玻璃钢基座JZ中的传输线变压器BYQ两个绕组的电感分别为L3和 L4；电缆扼流圈ELQ芯导体绕组的电感为L1，有分布电容为C1，屏蔽层绕组的电感为L2，有分布电容为C2。ELQ的电感L1与BYQ的电感L4并联后，一端接天线下节WB的电缆芯导体，另一端连接射频输入电缆接头DLT的芯线。电缆扼流圈的屏蔽层绕组电感L2一端与天线下节WB的电缆屏蔽层连接，另一端与传输线变压器BYQ的电感L3的一端一起连接到射频输入接头DLT的地。

(7)如上所述构建的地面上的直立天线，其中天线上节SA、天线中节ZA、天线下节WB的电缆芯线中有电流Ia，而WB的电缆屏蔽层内壁有电流-Ia，WB 的电缆屏蔽层外壁则有电流Ib。于是，天线下节WB中的芯线电流与屏蔽层内壁电流反方向，二者构成传输射频能量的通道；与此同时，天线下节WB中电缆屏蔽层外壁电流Ib与天线中节ZA、天线上节SA中的电流Ia同相位，使全天线的辐射电流分布类似于馈电点位于天线下节WB与天线中节ZA的接头JT附近的垂直对称振子，即全天线构成了一种新的“中馈”天线。

(8)尤其是在合适设计各节天线长度h1，h2，h3和加载电感L，以及电缆扼流圈绕组圈数与铁氧体材料特性后，使电缆扼流圈ELQ的屏蔽层电感L2与其并联分布电容C2谐振在雷达工作频率f1，即呈现无穷大阻抗，结合传输线变压器BYQ的宽频带匹配特性，使天线基座接地处电流Ib分布趋近为零，这就隔绝了地面电特性对发射天线性能的影响，扩展了天线的工作频带，并使天线辐射主瓣沿着海平面。这就是经典的中馈天线。

此时，雷达工作频率f1远低于陷波器的谐振频率f2，陷波器XBQ失配，等效为一个附加的加载电感，使原中馈天线的中心工作频率稍微降低。天线全高为 H＝h1+h2+h3。

(9)按上述要求安装的双频段中馈发射天线，当雷达工作频率等于陷波器XBQ的谐振频率f2时，由于Lx与Cx并联谐振，陷波器具有很大阻抗，致使天线上节SA等效被隔离，其上电流趋于零；天线中节ZA与天线下节WB构成全高等于H’＝h1+h2的谐振在f2的中馈天线，该天线的辐射电流幅值仍然在中馈点附近，而天线基座处的电流虽不为零，也很小，辐射方向图主瓣接近地面。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

①本实用新型的双频发射中馈天线，可工作在两个独立的频段上，而辐射方向图主瓣都接近地面方向，其最明显的优点是中馈天线的辐射电流最大值在天线中馈点附近，天线基座接地处的电流趋近于零，大大减小了天线场地环境对天线性能的影响。传统单极子或双频单极子的辐射性能则受天线场地环境的影响很大。

②双频发射中馈天线可供两个频带同时工作；如果采用传统中馈天线，不同频带需要架设不同高度的天线，天线之间需要相隔一定距离，这增加了雷达站用地困难；多根中馈天线要同时供不同频带工作还要增加控制转换系统，这显然增加了雷达站的工作成本。

③与结构庞大复杂的传统对数周期天线相比，本实用新型的双频段中馈天线仅一根天线杆就可同时工作在两个频段，这是多频便携式高频地波雷达的最佳选择。

④本实用新型的双频段发射中馈天线，与双频发射单极子相比，除了中馈天线隔离了天线场地电特性的影响之外，还具有较宽的工作频带，这提高了高频海洋雷达的整体性能。

附图说明

图1—本实用新型“便携式高频地波雷达的双频发射中馈天线”的组成图；

图2—双频发射中馈天线的陷波器结构图；

图3—双频发射中馈天线的馈电基座结构剖面图。

图4—双频发射中馈天线的基座内传输线变压器和电缆扼流圈原理图。

图5(a)—雷达工作在较低频段(中心频率f1)的天线电流分布；图5(b) —雷达工作在较高频段(中心频率f2)的天线电流分布。

图6(a)—工作中心频率为f1＝8.1MHz的原型中馈天线的实测电压驻波比曲线；图6(b)—在原型天线上节与天线中节之间接入陷波器后的实测驻波比曲线，两个工作频段的中心频率为f1＝7.35MHz；f2＝11.70MHz。

①在图1中，天线上节SA由玻璃钢管包一根铜导体制成，高为h3。天线中节ZA由玻璃钢管包一根铜导体制成，其中铜导体顶端附近接有一个加载电感L，高为h2。天线下节WB由较粗玻璃钢管包一截50Ω发射电缆制成，高为h1。处于天线上节SA与中节ZA之间的陷波器XBQ由玻璃钢管中的并联电感Lx和电容Cx构成，两端通过铜接头与天线上节SA和天线中节ZA相连接。玻璃钢基座JZ内组合有传输线变压器BYQ、电缆扼流圈ELQ和射频输入接头DLT(图 1中RF即为该电缆接头的芯线)。

②在图2中展现陷波器XBQ的组成结构，其中：

TJT—上下两个铜接头接头，各在中心固定了电感Lx电容Cx并联电路接点。

BLG—一段适当长的粗玻璃钢管，两端内壁有螺纹，与两个接头TJT旋接。

Lx—用较粗铜导线绕制在骨架上的并联电感。

Cx—骨架外与电感Lx并联的高压优质电容。

③在图3中展现中馈天线的基座(包括玻璃钢基座JZ与不锈钢基座JJZ) 的组成结构，其中：

JZ—玻璃钢基座。

JJZ—一个呈“工”字型的中空的不锈钢基座。

JT—一个黄铜天线接头，上端有螺纹与天线下节WB旋接；下端有螺纹旋入玻璃钢基座JZ。接头中心孔有绝缘材料固定的射频电缆芯DLX接点，接头JT则与上下的射频电缆屏蔽层相接。

DB—一块圆形的合金铝底板。

BYQ—一个安置在基座JZ内部的1:4传输线变压器，其绕组用粗漆包线绕制在一个高频铁氧体环上。

ELQ—一个安置在基座JZ内部的高频电缆扼流圈，用细的50Ω高频电缆绕制在一组高频铁氧体环上。

DLT—一个固定在底板DB中心的标准的50Ω射频输入电缆接头。

FSQ—基座JZ与底板DB之间的圆形橡皮防水圈。

FSC—底板DB下面铣出的圆圈形防水槽。

GD—固定螺栓。

JD—接地螺栓。

DM—雷达站天线场地面。

④在图4中展现了图3中的玻璃钢基座JZ内部的传输线变压器BYQ和电缆扼流圈ELQ与上部接头JD和下部射频输入电缆接头DLT之间的具体连接。

BYQ—绕在铁氧体环上接成1:4的传输线变压器，两个绕组的电感分别为 L3和L4。

ELQ—用50Ω细高频电缆绕在一组铁氧体环上的扼流圈，其芯线绕组的电感为L1，分布电容为C1；屏蔽层绕组的电感为L2，分布电容为C2。

XA—通过黄铜接头JT中心的电缆芯DLX与上部连接的天线下节中电缆芯线。

WB—天线下节(通过黄铜接头JT与上部连接的天线下节中射频电缆屏蔽层)。

RF—射频输入电缆接头DLT的芯线。

GND—射频输入电缆接头DLT的地。

⑤在图5中描绘了双频段发射中馈天线在两个频率的天线体上电流随天线体高度的分布。

H—中馈天线整体高度。

z—中馈天线上离地高度。

I—中馈天线上某点的辐射电流值。

Imax—中馈天线辐射电流最大值。

|I/Imzx|—中馈天线上某点辐射电流相对值的绝对值。

(a)—在较低的发射频率f1中馈天线上的电流分布，在中馈点附近辐射电流最大，在地面附近辐射电流趋近于零。

(b)—在较高的发射频率f2中馈天线上的电流分布，在中馈点附近辐射电流最大，陷波器XBQ以上辐射电流为零，在地面附近辐射电流不为零，但很小。

⑥在图6中给出了两种中馈天线的驻波比实测曲线，其中，(a)为单频段原型中馈天线的实测驻波比曲线；(b)为在原型中馈天线上节SA与中节 ZA之间接入陷波器XBQ后的双频段中馈天线的实测驻波比曲线。

(a)单频段原型中馈天线的中心工作频率为f1＝8.1MHz.，电压驻波比 VSWR≤2.5的工作频带宽度为3.7MHz。

(b)双频段中馈天线的两个工作频段分别为：较低的中心工作频率f1＝7.35 MHz，电压驻波比VSWR≤2.5的工作频带宽度为2.4MHz；较高的中心工作频率f2＝11.70MHz，电压驻波比≤2.5的工作频带宽度为2.3 MHz。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型“双频段发射中馈天线”的具体实施方式。

一、根据设定的雷达两个工作频段中较低频段的中心频率f1，求出雷达波长λ1，根据中馈天线的设计要求，天线全高H<0.5λ1，此时天线垂直面辐射方向性图呈“∞”形状，没有副瓣，同时水平面方向性图呈全向形状。从该频段的最高频率出发，则可取H＝0.3λ1。若需要进一步降低天线高度，需要对天线进行集中加载，加载点设在天线0.7H的高度处，避开辐射电流波腹处以减少损耗，而又处于具有适当大电流的高度上以增加加载的效果；加载电感为L(例如5μH)。于是，最后选取中馈天线的整体高度为H＝0.2λ1(如实例为7m)。进一步的制作按照以下步骤进行。

(1)根据经验细心确定中馈天线体的上下比例(上下比约为1.38～1.44)，以保证电流最小值落在天线底部附近，整个工作频段中天线的增益较高，沿地面方向辐射最强。实例中取天线上下比为4/3。

(2)为了安装和运输的方便，将中馈天线上面部分分成长度相等的两节，即天线上节SA的高度h3＝2m；天线中节ZA的高度h2＝2m。(天线下节WB的高度h1＝3m，中馈天线全高H＝h1+h2+h3＝7m。)

(3)制作天线上节SA。将一根外径为5mm、长2m的黄铜导管下端固定在黄铜接头JT上，该接头JT旋入合适长度与外径的玻璃钢管中，封闭顶部，就制成的天线上节SA。

(4)制作天线中节ZA。将一根外径5mm、长约1.8m的黄铜导管下端固定在黄铜下接头JT上；在黄铜导管的上端焊接绕制在胶木棒上的加载电感L(实例为5μH)，电感L顶部焊接有引出导线；将合适长度与外径的玻璃钢管套进天线中节ZA后与低端黄铜接头旋接，玻璃钢管内吹填泡沫塑料；将加载电感L顶端的引出导线从上接头中孔穿出，将黄铜上接头JT旋接玻璃钢管，剪除并焊接好加载电感引出线。

(5)如图2所示制作陷波器XBQ。其中最重的是根据

确定并联谐振电感Lx和电容Cx时，电感Lx不能太大，使电容Cx远大于电感的分布电容，比如说使电容Cx不小于几十(pF)，这样才便于调整控制陷波器 XBQ谐振。截取一段较细(如长约8cm，直径约2.2cm)的玻璃钢管作为绕制电 Lx的骨架，该骨架上车有螺纹，两端钻有小孔，便于缠绕和固定电感导线。取一段足够长的粗铜导线(比如长约1.2m，直径约1.5～2mm)，一头穿过骨架一端的小孔，留出足够长的引线，拉紧导线在骨架上绕制电感N圈，最后将导线另一头拉紧穿过骨架上的小孔，电感Lx便绕制完成。将骨架两端内小孔之间的导线擦净上锡，供接并联电容用。测量该电感的电感量为Lx(μH)，再由(1)式计算并联电容为Cx(pF)。将选定的电容Cx在骨架外并联焊接在骨架两端已上锡的电感导线上。

将一个陷波器接头TJT旋进粗玻璃钢管BLG的一端，再将上述在骨架上绕制的电感Lx、电容Cx并联组合体装入玻璃钢管BLG中，细心让电感引线从接头TJT中孔穿出，用螺钉固定在接头凹槽中。随后将上述电感另一端引线从另一个陷波器接头TJT的中孔穿出，接着把该接头旋进粗玻璃钢管BLG，再用螺钉把电感引线固定在该接头TJT顶端。

一个重要的实验结果表明，在天线整体试验中，当工作频率为f1时，陷波器失配，其效果如同一个加载电感，它使天线整体高度的增加量约等于绕制电感 L的导线长度(包括两端引线)。

(6)制作天线下节WB。剪一截长约3m的标准50Ω高频大功率发射电缆，将其下端芯导体焊接在底部黄铜凹接头JT中心绝缘固定的接点上，将其外屏蔽层直接固定在接头JT上；将高频发射电缆上端的芯导体剥出一截；把准备好的长3m的高强度粗玻璃钢穿管套上发射电缆，随后旋入下接头JT，在玻璃钢管腔体中吹填泡沫塑料；将发射电缆芯导体剥出的一截穿过上接头JT，把接头与玻璃钢管旋接好后，在上接头顶端焊接好发射电缆芯导体。

底部黄铜凹接头中心绝缘芯导体接点外围，对称固定有两个黄铜弹簧片，用于天线下节旋入基座JZ的黄铜接头时保障上下电缆芯导体与芯导体、屏蔽层与屏蔽层接触良好。

(7)如图3制作中馈天线基座JZ。首先是选用成品玻璃钢基座JZ，其底部四周已经备有4个10mm固定螺栓孔，且其内空腔足以放置绕制好的传输线变压器BYQ和电缆扼流圈ELQ。

关键是制作黄铜接头JT。其中心有圆孔，用于绝缘固定电缆芯DLX，顶端有稍微凸出的导体芯接触圆点，保障天线下节接头旋入并紧密结合时，上下电缆的芯导体是接触良好的。与此同时，上下电缆屏蔽层的接触良好依靠上面黄铜凹接头中的两片黄铜弹片与下接头JT顶部良好接触。

玻璃钢基座JZ内的传输线变压器BYQ和电缆扼流圈ELQ按照图4要求连接好以后，在基座JZ腔体内吹填泡沫塑料固定。

圆形合金铝底板DB四周有与玻璃钢基座JZ低端配合的4个10mm螺栓孔，上面铣了安装橡皮防水圈FSQ的圆形槽，下面铣有圆形的防水槽，中心有安装射频信号输入电缆头DLT的孔。

(8)不锈钢基座JJZ的制作。取一截外径80mm、壁厚2mm、长160mm的不锈钢管，在其腰部开一个直径25mm的射频发射电缆入口，在低端四周有对称分布的8个4mm螺丝孔，供安装地网用。另取厚度为2mm的不锈钢板，制成两块外径与合金铝底板DB外径相等、内径与不锈钢管内径吻合的圆环，其四周开有与底板DB上相同的4个10mm螺栓孔。将两块不锈钢圆环与不锈钢管焊接成“工”字形不锈钢基座JJZ。

二、双频发射中馈天线整体现场安装与测试

现场安装双频发射中馈天线时，将发射电缆从不锈钢基座JJZ腰部圆孔穿入，与发射电缆接头DLT旋接好以后，用4个8mm螺栓把玻璃钢基座JZ与不锈钢基座JJZ固定起来。

如图1所示，先将天线下节WB与天线基座JZ旋接紧密，随后顺序安装天线中节ZA、陷波器XBQ和天线上节SA，在天线体上套上两层拉线圈后，接上高强度耐腐蚀的三方拉绳，当天线直立时，三方两层拉绳固定在离天线基座4— 5m的相间120度的三个牢固的地锚上，同时把天线基座固定在地面。

完成整个天线的架设之后，用网络分析仪测试该双频发射中馈天线的谐振特性，如图6(b)所示的双频中馈发射天线的驻波比测量结果，证明该天线的确谐振在中心频率为f1和f2的两个频段上。利用信号源和其它标准天线，分别将功率信号加在双频发射中馈天线和其他标准单极子上，在距该天线1km外的距离上依次分别接收各种天线的辐射信号，验证双频发射中馈天线辐射主瓣沿地面的特性优于其他天线。本实用新型中的双频发射中馈天线在两个频率的天线体上电流随天线体高度的分布如图5所示，其在中馈点附近辐射电流最大，而在地面附近辐射电流很小，基本隔绝了周围地物环境影响，不需要架设地网系统，具有优良的稳定性。