专利名称：倒v形天线阵列mf雷达的制作方法
技术领域：
[0001]本实用新型涉及ー种雷达，尤其是ー种用于中层和热层大气水平风速、风向测量的气象雷达，具体地说是ー种倒V形天线阵列MF雷达。
背景技术：
MF雷达主要用于探测60 IOOkm的中层和热层大气水平风速、风向等參数，并对电离层的电子密度进行观測。从上世纪80年代以来，由于探测中层大气的雷达技术和分析方法不断完善，特别是发射机实现了全固态化，具有设备简单、运行方便和无人值守等突出优点，MF中层大气探測雷达站迅速増加。目前国际上共有20多个中层大气雷达站运转，主要分布在北美、澳大利亚、日本、南极大陆等国家和地区。这些MF雷达采用普通半波振子天线，天线阵面较大，建设成本高。
发明内容本实用新型的目的是针对现有的MF雷达天线架设成本高，可靠性和稳定差的问题，设计ー种倒V形天线阵列MF雷达。本实用新型的技术方案是ー种倒V形天线阵列MF雷达，它主要由室内设备和室外设备组成，室内设备主要由发射装置、接收装置、T/R开关、信号处理装置、数据处理装置和电源组成，室外设备主要由收发天线阵列、巴伦和馈线电缆组成，其特征是所述的收发天线阵列由四个倒V形天线组成，所述的倒V形天线由ー个主塔I、四个副塔2和ニ根半波天线振子3组成，且主塔I的高度大于副塔2的高度，四个副塔2均布在主塔I的周围，ニ根半波天线振子3的中点在主塔I的最高点正交，每根天线振子3的两端下斜后与对应的副塔2相连。所述的主塔I的高度至少为副塔高度的2倍。所述的四个倒V形天线中的三个分布在一个等腰三角形的顶点上，另ー个分布在等腰三角形的中心点上。本实用新型的有益效果本实用新型采用倒V型天线设计MF雷达，通过不同的工作方式，实现多个物理參数的測量。通过工作方式的变换，采用不同的定时关系、信号处理方法和算法，实现了中层大气水平风场、垂直风场估计。该实用新型适用于MF频段和相近频段测风雷达的设计，对单部雷达的多功能设计具有指导意义和借鉴作用。本实用新型具有方案设计合理、測量功能齐全、实现费用少等优点。
图I是本实用新型的倒V雷达天线结构示意图。图2是本实用新型的水平风场获取图。[0015]图3是本实用新型的MF雷达组成系统框图。图4是实用新型的MF雷达天线架设图。图5是本实用新型的天线振子宽波束的立体图。图6是本实用新型的天线振子宽波束的平面方向图。图7是本实用新型的天线振子窄波束的立体图。图8是本实用新型的天线振子窄波束的平面方向图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进ー步的说明。如图1-8所示。ー种倒V形天线阵列MF雷达，它主要由室内设备和室外设备组成，室内设备主要由发射装置、接收装置、T/R开关、信号处理装置、数据处理装置和电源组成，室外设备主要由收发天线阵列、巴伦和馈线电缆组成，如图3所示，所述的收发天线阵列由四个倒V形天线组成，四个倒V形天线中的三个分布在一个等腰三角形的顶点上，另ー个分布在等腰三角形的中心点上，如图2、4所示。所述的倒V形天线由ー个主塔I、四个副塔2和ニ根半波天线振子3组成，如图I所示，且主塔I的高度大于副塔2的高度，主塔的高度最好是副塔高度的二倍以上，本实施例的主塔高24米，副塔高10料，四个副塔2均布在主塔I的周围，ニ根半波天线振子3的中点在主塔I的最高点正交，每根天线振子3的两端下斜后与对应的副塔2相连。详述如下本实用新型的MF雷达主要由天馈、发射、接收、信号处理、数据处理和电源几个分系统组成。室外设备主要是收发天线阵、巴伦、馈线电缆，室内设备主要是发射、接收、T/R开关、信号处理、数据处理和电源。MF雷达的系统框图如图3所示。MF雷达的室外设备含收发天线阵、阻抗变换器和馈线电缆。收发天线为4付正交偶极子天线，其中3个正交偶极子天线分布在边长185m的等边三角形顶点上，I个正交偶极子天线位于三角形的中心，正交偶极子天线呈倒V形结构。MF雷达的天线阵列见图2。MF雷达分8路发射输出，每路对应I个天线振子。每路的峰值功率大于8kW，占空比不小于O. 5%，其难点和要点是较高的峰值功率，且结构尺寸很小。由于MF雷达24小时连续工作和无人值守的高可靠性要求，本雷达采用全固态发射机，充分利用中高压高速MOSFET器件作为放大器的功放管，使単元电路达到较大的峰值功率，再利用功率合成器合成所需的输出功率。根据不同的工作原理，MF雷达的4种工作方式采用了不同的设备组合、定时控制、信号处理和终端软件。工作在水平风测量方式时，采用了 4付交叉振子天线作为4个天线単元，发射时4个天线単元同时发射功率，接收时4个天线単元分别接收微弱反射信号，对每付交叉振子对应的2个接收机做相关积累，通过对4组积累信号的全相关分析，获得中层大气的水平风场速度。工作在垂直风测量方式吋，4付交叉振子天线作为ー个整体，以全相參的方式同步发射功率，接收时8路接收机接收到的信号，经全相干脉冲多普勒处理，得到垂直方向的多普勒频移，从而计算出垂直风速。工作在电离层密度分布測量方式吋，4付交叉振子天线根据振子方向分为相互垂直的2组天线単元，每组天线单元包括4个相互平行不共线的振子，通过对激励信号的相位控制，实现发射信号的线极化、左旋极化和右旋极化控制；通过对接收信号的移相，实现接收信号的线极化积累、左旋极化积累和右旋极化积累，通过计算反射信号两个特征模部分反射系数之比，获得不同高度层的电离层密度分布。工作在频谱估计方式时，通过定时信号的控制，天线交替工作在I付天线(宽波束)发射、接收信号和4付天线(窄波束)同时发射、接收信号的状态，对无地网、I. 98MHz、185米间距參数下的仿真结果如下表所示。
项目4付天线振顶点天线振子中间天线振子
____ 其中顶点振子指位于三角形顶点的3个天线振子中的某ー个，中间振子特指位于三角形中心的天线振子。根据频谱估计的工作原理，宽波束和窄波束的指向应尽可能一致，为此采用4付天线振子和中间天线振子交替工作的方式。宽波束的立体和平面方向图见图5和图6 ;窄波束的的立体和平面方向图见图7和图8。本实用新型的MF雷达采用倒V型空间分布天线和全相关分析技术，通过采用不同的工作方式，可得到中层大气的水平风场、垂直风场等參量。空间分布天线的构成是MF雷达功能实现的关键，从查询到的资料看，目前国际上现有20多个中层大气MF雷达站，采用空间分布天线的均为水平振子结构。水平半波振子其振子臂通常离反射面的高度为四分之一波长，本雷达采用I. 98MHz频率，四分之一波长就高达37. 9m,给天线架设带来了很大的难度。此外本天线由四付双极化天线组阵构成，姆付双极化天线由垂直交叉的两个偶极子天线形成，经理论分析和仿真发现，对天线增益、波瓣性能有影响的因数除天线架高外，还包括天线振子的水平度、两个交叉振子之间的垂直度、不同振子之间的平行度、地面平整度、天线阵面的大小等，在保证天线技术指标的前提下，为了方便结构架设和设备的维护，避免随着时间的推移，天线自重导致天线振子的水平度指标下降，本发明采用倒V形天线结构，倒V形结构參见图I。倒V形结构的特点是每个交叉半波振子中间架高，振子的4个末端下斜，天线架设呈自然的斜拉稳定结构，天线振子的自重变形大大减小，天线架设成本的降低，天线架设难度的大大降低，保证了天线技术指标的稳定性。不同情况下的天线阵增益值的差异见下表。[0039]MF雷达通过改变工作方式并采用不同的处理方法，得到对中层大气不同物理參数的測量結果。具体分为4种1.采用空间分布天线(SA)模式和全相关分析(FCA)技术，得到中层大气的水平风场；2.采用全相干脉冲多普勒体制，得到中层大气的垂直风场和大气折射率结构常数；3.通过对发射信号和接收信号的极化控制，得到中层大气包含的电离层密度分布；4.采用波束合成技术，通过改变波束宽度实现中层大气扰动的谱宽估计。上述4种工作方式的具体技术方案分别描述如下。I.水平风场的获取參见图3，工作方式为8发8收。对于地面衍射图案，f(x，y，t)表示某点的场，则相距(ξ，η)并具有时间差τ的信号之间的空间和时间相关函数可设为，=^--(1)
|ゾ0，少メ)|对于静态、具有随机运动的衍射图案，可假设相关函数具有下面的形式，P ( ξ , η , τ ) = ρ (Α ξ 2+Β η 2+Κ τ 2+2Η ξ η )(2)如果衍射图案具有速度V，则其形式为，P ( ζ , η, τ ) = p [A ( ξ -Vx · τ ) 2+Β ( η -Vy · τ ) 2+Κ τ 2+2Η ( ξ -Vx · τ )(n-Vy · τ)] (3)上式可以重新写为，P ( ξ , η，τ ) = ρ (Α ξ 2+Β η 2+Κ τ 2+2F ξ τ +2G η τ +2Η ξ η )(4)比较(3)和(4)式，有下面的关系AVx+HVy = -F (5)BVy+HVx = -G (6)通过计算各个天线的自相关函数和互相关函数，确定(4)中的參数，然后利用(5，6)式，计算得到衍射图案的水平速度。2.垂直风场的获取采用全相干脉冲多普勒处理，得到垂直方向多普勒频移，计算垂直风速。首先将每个距离门的] 个数字1，0数据，记为101し^)，0(1^バ1)在大气湍流回波的相关时间内进行相干平均
权利要求1.ー种倒V形天线阵列MF雷达，它主要由室内设备和室外设备组成，室内设备主要由发射装置、接收装置、T/R开关、信号处理装置、数据处理装置和电源组成，室外设备主要由收发天线阵列、巴伦和馈线电缆组成，其特征是所述的收发天线阵列由四个倒V形天线组成，所述的倒V形天线由ー个主塔(I )、四个副塔(2)和ニ根半波天线振子(3)组成，且主塔(I)的高度大于副塔(2)的高度，四个副塔(2)均布在主塔(I)的周围，ニ根半波天线振子(3)的中点在主塔(I)的最高点正交，每根天线振子(3)的两端下斜后与对应的副塔(2)相连。
2.根据权利要求I所述的倒V形天线阵列MF雷达，其特征是所述的主塔(I)的高度至少为副塔高度的2倍。
3.根据权利要求I所述的倒V形天线阵列MF雷达，其特征是所述的四个倒V形天线中 的三个分布在一个等腰三角形的顶点上，另ー个分布在等腰三角形的中心点上。
专利摘要一种倒V形天线阵列MF雷达，它主要由室内设备和室外设备组成，室内设备主要由发射装置、接收装置、T/R开关、信号处理装置、数据处理装置和电源组成，室外设备主要由收发天线阵列、巴伦和馈线电缆组成，其特征是所述的收发天线阵列由四个倒V形天线组成，所述的倒V形天线由一个主塔(1)、四个副塔(2)和二根半波天线振子(3)组成，且主塔(1)的高度大于副塔(2)的高度，四个副塔(2)均布在主塔(1)的周围，二根半波天线振子(3)的中点在主塔(1)的最高点正交，每根天线振子(3)的两端下斜后与对应的副塔(2)相连。本实用新型采用倒V形天线设计MF雷达，通过不同的工作方式，实现多个物理参数的测量。它具有投资少，稳定性好的优点。
文档编号H01Q1/12GK202404233SQ20112051888
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者张虹, 李忱, 杜磊 申请人:南京恩瑞特实业有限公司