用于HF/VHF雷达的双频矢量传感器的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于HF/VHF雷达的双频矢量传感器。

背景技术：

较低频率雷达，例如工作在HF/VHF频带的雷达，波长与散射目标可比拟，广泛的应用于海洋表面动力学参数监测。而其特有的天波和地波超视距传播模式能够探测到地平线以下的目标，使其也很适用于检测飞机、舰船、导弹等目标。

为了达到与微波雷达相当的方向图增益，传统的阵列式雷达需要较大的天线阵长，一般达到几百米甚至上千米。美国专利U.S.Pat.No.4433336发明了一种交叉环/单极子(crossed-loops/monopole)三元天线，是一种紧凑型的组合天线系统。该天线系统利用多重信号分类算法(Multiple Signal Classification)实现了较好的角度探测精度，同时其具有的占地面积小、造价低的特点，使其在近二十年广泛应用于高频海洋雷达。

武汉大学研制的双频全数字高频海洋雷达主要用于探测海洋表面风、浪、流场和低速移动目标，专利《一种多频紧凑阵全数字雷达装置》(ZL：201320260206.9)设计了一套雷达系统能够工作在多频模式下，以适应不同尺度海浪探测的需要，并且提升目标探测以及抗干扰性能。该雷达系统需要分时工作在两个频率，为此尝试了多种方法实现双频矢量传感器的研制，但是有开关芯片隔离度都不理想导致感应能力不足、内部电路未知(即使内部旁路电容电感都很有可能会影响环天线的谐振)、还需要加入降压稳压电路来为芯片供电使得传感器各通道不均衡并抬高天线内部噪底等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术上存在的上述缺点和不足，提供一种新的双频矢量传感器设计方案，使该传感器能够更加理想地工作在单频和双频工作模式，多个传感器之间噪底、信号感应能力都较为均衡，从而提高了高频海洋雷达对海洋表面动力学参数的探测精度与适应能力、海面船舰、飞机、导弹的探测能力、以及雷达的抗干扰能力。

本发明的技术方案如下：

一种用于HF/VHF雷达的双频矢量传感器，包括单极子天线，两组相互正交的磁棒天线，以及后级板载电路；

所述单极子天线、磁棒天线分别与板载电路连接。

其中，所述的板载电路包括：依次相连的高隔离度开关控制模块、变压器模块、低噪声放大器模块、抗共模干扰模块、TNC接口模块；

所述单极子天线与抗共模干扰模块连接，所述磁棒天线通过高隔离度开关控制模块与变压器模块连接。

其中，两组相互正交的磁棒天线，分别由两组子磁棒组成，两组磁棒天线共相位中心且相互正交。

其中，所述的每组子磁棒由四根铁氧体磁棒构成，铁氧体磁棒上面绕有多匝导线，所述的导线直径大于0.8mm。

其中，所述导线匝数大于两组。

其中，所述的两组相互正交的磁棒天线采用十字型摆放或者采用口字型摆放。

其中，两组相互正交的磁棒天线是两个完全正交的8字型方向图，单极子天线是全向天线。

其中，所述的高隔离度开关控制模块包括：一组相互对接的二极管、电容构成的交流通路、电感构成的直流通路、受控制的可调电容、控制信号接入端，

所述的控制信号接入端输入的频率控制信号提供高低电平控制二极管对管通断，控制与其相连接的可调电容是否并入LC谐振，由此灵活地实现磁棒天线两个工作频率分时工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

1，本发明的双频矢量传感器，可以根据实际探测需要灵活的选择分时双频工作和单频工作，并且可以在较大频率范围内调整谐振点。

2，本发明采用的高隔离度开关模块，利用了二极管通断两种状态下均接近理想开关的特点，具有低导通电阻和极大的断开电阻，使得该双频矢量传感器在设计的两个频率以及调整谐振点后的各个频率上都可以达到近似理想的感应能力，基本没有能量衰减。该天线还具有极短的开关转换时间，比输入的控制信号脉宽小三个数量级以上，使其能够迅速地切换工作状态以实现两个工作频率时分复用。

3，本发明的应用，使得传统的高频海洋雷达能够在一部雷达中实现两个频率分时工作，在一个紧凑型接收阵列中实现两个频率信号的分时接收，一方面降低了雷达系统造价，减少了雷达系统架设面积，另一方面也极大的提高了雷达系统对海洋风浪流场的监测能力，提高了对低空目标、海面舰船的检测能力，进一步加强了雷达系统的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明各模块之间连接关系的总体框图。

图2是本发明采用的两组正交磁棒天线的两种摆放方式。

图3是本发明采用的环天线各部分连接关系的框图。

图4是本发明三个传感器的水平面电场方向图。

图5是本发明采用的高隔离度开关控制模块原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明申请作进一步详细的描述。

参见附图1，实施例提供的一种用于HF/VHF雷达的双频矢量传感器由单极子天线MONOPOLE、相互正交的磁棒天线LOOPA和LOOP B，以及板载电路；所述单极子天线、磁棒天线分别与板载电路连接。板载电路包括依次相连的高隔离度开关控制模块(简称KG)、变压器模块(简称BY)、低噪声放大器模块(简称LNA)、抗共模干扰模块(简称EL)、TNC接口模块。

参见附图1，单极子天线感应到的信号直接经过抗共模干扰模块就输出给后级接收机，与单极子天线共相位中心的两组磁棒天线经过了变压器模块、低噪声放大器模块、抗共模干扰模块后输出给后级接收机。

参见附图2，两组相互正交的磁棒天线，分别由两组子磁棒组成，每组子磁棒由四根铁氧体磁棒构成，铁氧体磁棒上面绕有多匝导线，所述导线匝数大于两组。所述的导线直径大于0.8mm。两组磁棒天线共相位中心且相互正交，有两种摆放方式：十字型摆放和口字型摆放。要求是两组子磁棒能够对感应到的电流实现同相叠加、两组磁棒天线包括其对应的后级板载电路都完全正交，与单极子天线共相位中心。

参见附图3，实施例中给出了磁棒天线LOOPA各部分连接关系的框图。高隔离度开关控制模块中的可调电容与磁棒天线上的导线形成的电感L构成LC串联谐振回路，将两组子磁棒L1和L2感应到的外界电磁场的电压进行同相叠加，变压器模块将该磁棒天线感应到的双端电压转换成单端电压，输入低噪声放大器模块，经过抗共模干扰模块，从TNC接口模块中的A接口经电缆输入给后级雷达接收机进行信号处理。

磁棒天线LOOP B的各部分连接关系与磁棒天线LOOPA一样，区别在于两个磁棒的摆放位置以及后级的板载电路都做到完全正交。

参见附图4，实施例给出了该传感器水平面电场方向图，磁棒天线LOOPA和LOOP B是两个完全正交的8字型方向图。单极子天线MONOPOLE是全向天线，在各个角度的响应都是一样的。这种紧凑型组合传感器的方向图是为后期信号处理估计信号角度的良好基础。

双频矢量传感器在两个工作频率下的方向图均如附图4所示，始终保持单极子天线是全向天线，两个正交磁棒天线是相互正交的8字型。

参见附图5，实施例给出了高隔离度开关控制模块的电路原理图。包括：一组相互对接的二极管、电容构成的交流通路、电感构成的直流通路、受控制的可调电容、控制信号接入端，所述的控制信号接入端输入的频率控制信号提供高低电平控制二极管对管通断，控制与其相连接的可调电容是否并入LC谐振，由此灵活地实现磁棒天线两个工作频率分时工作。该模块对于双频分时工作至关重要，因为它具有低导通阻抗，高断开阻抗，开关切换时间间隔短的特点。利用二极管对管在高低电平控制下与参考电平地的电压差来控制二极管的通断，由此控制可调电容是否并入LC串联回路，改变LC串联谐振的谐振点，并且在两个谐振点上能量衰减很小，使得双频矢量传感器能够近似理想的工作在两个频率。

所述高隔离度开关控制模块中的可调电容与磁棒天线上的导线形成的电感L构成LC串联谐振回路，将两组子磁棒感应到的外界电磁场的电压进行同相叠加，变压器模块将该磁棒天线感应到的双端电压转换成单端电压，输入低噪声放大器模块，经过抗共模干扰模块，从TNC接口模块经电缆输入给后级雷达接收机进行信号处理。

所述的变压器模块，能够将磁棒天线两端的电压转换为单端电压传输给低噪声放大器模块，并且合理的选择变压比能够改变LC回路Q值从而改变磁棒天线的频带宽度与峰值增益。

发射天线发射的是电信号，单极子天线感应电场能量，而磁棒天线感应磁场能量，经过所述的低噪声放大器模块后能够使得感应到的信号能量强度与单极子天线相均衡，同时也避免信号太弱在电缆传输中的能量损失。

双频矢量传感器中的磁棒天线是一种基于LC串联谐振电路设计的环天线，两组子磁棒感应到外界的磁场，交变的磁通量在其绕线上产生交变的电流，对于谐振频率上的电磁波具有最小的能量衰减。

双频工作的时候，由后级接收机给出控制电平FreqControl,实施例中我们给出的控制电平是0/3.3V的门控电平。

当控制电平是0V时，对于二极管D1和D2，两端都是0V，二极管均处于截止状态，等效于一个极大的电阻将可调电容C3支路断开，此时交流通路上只有可调电容C4与磁棒电感L1、L2相串联，此时谐振频率为：

当控制电平是3.3V时，对于二极管D1和D2，正极和负极之间电压差达到3.3V，二极管均导通，等效于一个很小的电阻将可调电容C3支路与可调电容C4相并联，此时交流通路上可调电容C3和C4相并联再与磁棒电感L1、L2相串联，此时谐振频率为：

通过调节可调电容C3、C4，可以将双频矢量传感器的两个频率调谐到我们所需要的工作频率，并且得益于这种二极管设计的开关模块近似于理想的单刀单置开关，在两个工作频率上都基本等效于理想的单频磁棒天线的接收效率。

对于海洋风浪流场的探测，通常需要较长的相干积累时间，而且海洋可以认为是一种平稳的随机过程。二极管有着极快的通断切换时间，使得我们可以在一段相干积累时间内通过快拍之间的分时接收最后同时得到两个工作频率的相干积累结果。

所述双频矢量传感器还包括有传感器的防水盒、支撑杆、配套电缆、固定桩绳。以上装置构成了完整的双频矢量传感器系统。单极子天线垂直安装在防水盒正中心，通过盒盖上的香蕉头与板载电路中心相连接，再送入防水盒下部的电缆接口与雷达接收机相连接。

完成整个双频矢量传感器的设计之后，用网络分析仪测试该双频矢量传感器的谐振特性，证明整个传感器的确谐振在和两个频率。还需将其放置于防水盒内，连好电缆，利用支撑杆和固定桩绳将其架设起来。利用信号源和其他标准天线，分别将信号加在双频矢量传感器的三个传感元上，在距离该传感器一公里以外的距离上依次分别接收各种天线的辐射信号，可验证该传感器在不同频率下各个角度的天线方向图特性。

与现有技术相比，去除了光耦芯片、降压芯片、开关芯片等有源器件，尽可能降低天线内部的噪声基底和增加各个天线之间的隔离度；利用二极管全新设计的高隔离度开关模块使该天线能够理想地分时工作在两个不同频率，该发明一方面提高了高频海洋雷达探测海洋风浪流的精度及不同海况下的适应能力，也提高了对于海上船舰、低空飞机等硬目标的检测与跟踪的精确度及对不同体量、姿态的目标检测能力。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。