CN102213760A - 一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计 - Google Patents

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张升伟
李靖
孙茂华
王振占
姜景山
王宏建
蒋长宏
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Abstract

本发明提出一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计，该辐射计包含：由一个抛物型天线反射面、馈源、波导结构的极化分离器和两个毫米波接收机；其特征在于，所述的天线反射面包含：一个抛物型的一次反射面和间隔一定距离的平面二次反射面，该平面二次用于将极化分离后的水平或垂直极化波反射至一毫米波接收机；所述的极化分离器采用准光学极化栅网，该极化栅网由由平行分布的金属丝固定在金属框架上形成，且g＜＜λ/2，d＜g，其中g表示相邻金属丝之间的间距，d表示金属丝直径，λ表示入射波波长；所述的极化分离器位于所述的平面二次反射面的下方，且所述的极化分离器所在的平面与水平面成一定夹角，该夹角范围为：30°～60°，该极化分离器用于将一次反射面反射的信号分离为折射和反射两路信号，分别进入所述的两个毫米波接收机进行处理。

Description

一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计
技术领域
本发明涉及星载毫米波辐射计技术领域，具体地说，本发明涉及一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计。
背景技术
星载毫米波辐射计是一种被动式的微波遥感器，用于全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、水汽含量、降雨量等空间气象资料，在大气探测中具有重要作用，对研究全球气候及环境变化，实现中、长期数值天气预报，提高天气预报的准确性，减少台风暴雨等灾害性天气现象造成的生命财产损失具有重要应用价值。
星载毫米波辐射计要求探测精度高、系统工作稳定、可靠性高等特点，本辐射计就是为满足上述要求所设计的，适用于星载、双极化毫米波辐射计探测系统。
传统的双极化毫米波辐射计如附图1所示，其极化分离器由毫米波器件完成，且它的天线仅包含一个抛物型反射面。
对于星载毫米波辐射计系统，系统灵敏度是最重要的指标。传统的毫米波器件极化分离器，插入损耗较大，而且频率越高损耗越大，例如在150GHz频段可以达到3dB，信号损耗50％，对系统的直接影响是接收机本机噪声功率较大，导致系统灵敏度下降从而使探测精度降低。而且毫米波器件极化分离器通常为波导结构，器件内部设计复杂，对机械加工精度的要求很高，容易造成机械接口失配而影响系统性能。
发明内容
本发明的目的在于，为克服传统的传统的毫米波器件的极化分离器插入损耗较大，而且频率越高损耗越大，导致的系统灵敏度下降，以及波导结构的极化分离器内部设计复杂加工精度很高，容易造成机械接口失配而影响系统性能等缺陷，从而提出一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计。
本发明提出的一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计，该辐射计包含：由一个抛物型天线反射面、馈源、波导结构的极化分离器和两个毫米波接收机；其特征在于，
所述的天线反射面包含：一个抛物型的一次反射面和间隔一定距离的平面二次反射面，该平面二次反射面用于将极化分离后的水平或垂直极化波反射至一毫米波接收机；所述的一次反射面和二次反射面的材料选用LY12铝合金或根据不同卫星型号的设计和建造规范要求选用。
所述的极化分离器采用准光学极化栅网，该极化栅网由由平行分布的金属丝固定在金属框架上形成且g＜＜λ/2，d＜g，其中g表示相邻金属丝之间的间距，d表示金属丝直径，λ表示入射波波长；
所述的极化分离器，位于所述的平面二次反射面的下方，且所述的极化分离器所在的平面与水平面成一定夹角，该夹角范围为：30°～60°。该极化分离器用于将一次反射面反射的信号分离为折射和反射两路信号，分别进入所述的两个毫米波接收机进行处理。
作为本发明的一个改进，所述的平行分布的金属丝采用钼丝，该钼丝间距小于二分之一入射波的波长且所述的金属框架为圆形或正方形。
上述技术方案所述的毫米波接收机具体包含：射频放大器、混频器、中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器。
本发明的优点在于，采用准光学极化分离器的星载双极化毫米波辐射计克服了传统的双极化辐射计本机噪声功率大，系统灵敏度较低的缺点，在体积重量相当、满足高可靠性的要求的条件下，极大地提高了系统灵敏度，满足了星载毫米波辐射计探测精度高的要求，尤其是对于高频率毫米波辐射计，优势更加明显。
附图说明
图1是传统的双极化毫米波接收机组成框图；
图2是本发明的一种采用准光学技术的毫米波辐射计组成框图；
图3-a是本发明的圆形金属框架的钼丝极化分离器；
图3-b是本发明的方形金属框架的钼丝极化分离器；
图4是钼丝极化分离器的金属丝直径与相邻金属丝之间间隔的关系示意图；
图5是毫米波接收机组成框图。
附图标志：
1、一次反射面  2、二次反射面    3、准光学极化分离器
4、馈源        5、毫米波接收机  6、波导极化分离器
具体实施方式
下面结合附图针对本发明的内容进行进一步说明。
如图2所示，本辐射计由天线、准光学极化分离器3、毫米波接收机5组成。天线由一次反射面1和二次反射面2组成，一次反射面1是抛物型天线反射面，二次反射面2为平面反射面，由金属材料加工而成，二者的作用是接收目标信号入射流并馈至毫米波接收机。一次反射面1和二次反射面2的尺寸，根据不同星载系统的具体要求进行设计，材料可选用LY12铝合金或根据不同卫星型号的设计和建造规范要求选用。
极化分离器的作用是将一次反射面1接收到的全极化信号分离为水平极化信号和垂直极化信号，由平行分布的金属丝固定在金属框架上形成极化栅网，考虑到空间环境应用，金属丝选材要考虑高低温下热胀冷缩系数小而且抗伸拉强度大的材料，钼丝是一种比较理想的选择。金属丝金属框架可以是圆形或正方形，如图3(a)、(b)所示，金属框架的尺寸根据不同星载系统的具体设计要求确定，金属框架材料可选用LY12铝合金或根据不同卫星型号的设计和建造规范要求选用。
图3-a和图3-b中，金属钼丝间距g要远小于二分之一波长，即，而金属丝直径d要满足条件d＜g，如图4所示。例如g＝λ/8，而d＝λ/10。在图4所示的栅网结构中，垂直极化波透射过去，而水平极化波被反射。将极化栅网偏置45°摆放(见图2)，则垂直极化波被垂直极化接收机接收，而水平极化波被反射以后，再经过二次反射面的反射后被水平极化接收机接收。
如图5所示的毫米波接收机5的组成(垂直极化和水平极化接收机组成相同)，主要包括射频放大器、混频器、中频放大器、滤波器、检波器、积分器、低频放大器。馈源接收天线传来的极化信号波，经过射频放大以后由混频器完成射频至中频的频率下变换，然后经过滤波器选频以后由检波器完成中频至低频的转换，再经过积分器对低频信号进行平滑处理，最后经过低频放大输出至数字系统进行量化处理。
对于星载毫米波辐射计系统，系统灵敏度是最重要的指标。传统的毫米波器件极化分离器，插入损耗较大，而且频率越高损耗越大，例如在150GHz频段可以达到3dB，信号损耗50％，对系统的直接影响是接收机本机噪声功率较大，导致系统灵敏度下降从而使探测精度降低。而且毫米波器件极化分离器通常为波导结构，器件内部设计复杂，对机械加工精度的要求很高，容易造成机械接口失配而影响系统性能。
而准光学极化分离器3最大的优点是插入损耗很低，对接收机本机噪声功率的影响很小，使其系统性能的影响可以忽略。例如，在150GHz频段，其损耗仅有0.04dB，信号损耗为1％，对系统性能的影响可以忽略。另外，准光学极化分离器为金属丝网结构，无功耗，重量与毫米波器件极化分离器相当，具有较高的可靠性，适于星载辐射计系统。
表1给出了两种体制的双极化毫米波辐射计各项特性的比较，从表中可以明显地看出它们的不同之处，各个方案的优劣显而易见。
表1两种体制的星载双极化毫米波辐射计性能比较
Figure GSA00000082036700041
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种采用准光学技术的星载双极化毫米波辐射计，该辐射计包含：由一个抛物线型天线反射面、馈源、波导极化分离器和两个毫米波接收机；其特征在于，
所述的天线反射面还包含一个平面二次反射面，该平面二次反射面用于将极化分离后的水平或垂直极化波反射至一毫米波接收机；
所述的极化分离器采用准光学极化栅网，该极化栅网由平行分布的金属丝固定在金属框架上形成，且g＜＜λ/2，d＜g，其中g表示相邻金属丝之间的间距，d表示金属丝直径，λ表示入射波波长；
所述的极化分离器位于所述的平面二次反射面的下方，且所述的极化分离器所在的平面与水平面成一定夹角，该夹角范围为：30°～60°。
2.根据权利要求1所述的星载双极化毫米波辐射计，其特征在于，所述的一次反射面和二次反射面的材料选用LY12铝合金。
3.根据权利要求1所述的星载双极化毫米波辐射计，其特征在于，所述的平行分布的金属丝采用钼丝，且该钼丝间距小于二分之一入射波的波长。
4.根据权利要求1所述的星载双极化毫米波辐射计，其特征在于，所述的金属框架为圆形或正方形。
5.根据权利要求1所述的星载双极化毫米波辐射计，其特征在于，所述的毫米波接收机具体包含：射频放大器、混频器、中频放大器、滤波器、检波器、积分器和低频放大器。
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