CN102904024B - 用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，由天线上节、陷波器、天线下节、馈电基座和地网组成，其中天线上节导体高h₁，天线下节导体高h₂。当雷达信号频率f₂对应波长λ₂满足h₂＝kλ₂/4时，陷波器谐振，这等效隔离了天线上节，使天线下节成为典型的地面上四分之一波长垂直单极子，具有沿地面的辐射方向图主瓣。当雷达信号频率远低于f₂时，陷波器失谐，使天线整体高度等效增加h₃，这就使整个天线组成谐振在较低频率f₁的四分之一波长单极子，且满足(h₁+h₂+h₃)＝kλ₁/4，同样具有沿地面的辐射方向图主瓣。本发明可以方便地工作在分别以f₁和f₂为中心频率的两个频带上，且二者都具有沿地面的方向图主瓣。此外，本发明采用的馈电基座实现了良好的防水结构设计。

Description

用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其是涉及一种用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线。

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。

一根高为h的地面垂直振子，同时谐振在h＝λ₁/4和h＝3λ₂/4对应的两个频率f₁和f₂(＝3f₁)，得到相应的两个雷达信号波长λ₁和λ₂，其中f₁＝c/λ₁＝c/4h（c为光速）。虽然天线工作在频率f₁时，辐射方向图主瓣沿地面，但当工作在频率f₂时，该天线的辐射方向图主瓣仰角很大（仰角α＝50°），而沿地面辐射强度很小，且随天线增粗而减小，因此不宜于地波雷达采用。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，包括天线上节A、陷波器X、天线下节B、馈电基座K和地网D，天线上节A和天线下节B之间采用陷波器X连接，天线下节B旋接在馈电基座K上，馈电基座K连接地网D。

而且，天线下节B的高h₂＝k₂λ₂/4，其中k₂为缩短因子，λ₂是雷达工作频率f₂对应的波长；天线上节A的高h₁满足(h₁+h₂+h₃)＝k₁λ₁/4，其中，k₁是缩短因子，λ₁是雷达工作频率f₁对应的波长，频率f₁远低于频率f₂；h₃是当雷达工作在频率f₁时，陷波器X失配等效为一个加载电感使天线整体增加的高度。

而且，陷波器X包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接天线上节A的接头，管状外壳下端设有用于连接天线下节B的接头，管状外壳内部设置谐振回路并填满绝缘导热硅脂，所述谐振回路由电感L、电容C和电阻R并联组成；其中C为电容C的电容值，L为电感L的电感值。

而且，馈电基座K包括天线接头TJT、固定板JM、底板DB、基座JZ和发射电缆接头DLT组成，固定板JM上方固定天线接头TJT，下方固定底板DB；发射电缆接头DLT的芯端焊接有一个螺丝LS，螺丝LS穿过底板DB旋进天线接头TJT，将发射电缆接头DLT固定在底板DB下面。

而且，固定板JM与天线接头TJT、底板DB之间分别设置一道防水圈FSQ，底板DB下方设置防水槽FSC。

而且，地网D由8根约长λ₁/4的导线组成，每根导线一头连接在基座JZ的接地端，另一头成辐射状平铺在地上。

本发明具有以下优点和积极效果：

①本发明的双频发射单极子天线，可工作在两个独立的频段上，而辐射方向图主瓣都在地面方向。传统单极子仅工作在基频时，辐射方向图主瓣才沿地面。

②双频发射单极子天线可供两个频率同时工作；如果采用传统单极子，不同频率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；多根单极子要同时供不同频率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，本发明仅一根天线杆就可同时至少工作在两个频率，这是多频便携式高频地波雷达的唯一选择。

④本发明特制馈电基座具有优良的防水性能，彻底解决了高频发射电缆头的野外防水的后顾之忧。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例的陷波器结构剖面图；

图3为本发明实施例的馈电基座结构剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见附图1，实施例提供的双频发射单极子天线由天线上节A、陷波器X、天线下节B、馈电基座K和平铺的地网D相继连接而成。天线上节A和天线下节B之间采用陷波器X连接，天线下节B旋接在馈电基座K上，馈电基座K连接地网D。陷波器X包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接天线上节A的接头，管状外壳下端设有用于连接天线下节B的接头，管状外壳内部设置谐振回路，所述谐振回路由电感L、电容C和电阻R并联组成。

实施例中，处于天线上节A和天线下节B二者之间的陷波器X通过法兰盘分别与两者连接。以下提供双频发射单极子天线各部件的详细结构说明：

（1）一根天线上节A，用合金铝管制成，其高为h₁，下端安有连接陷波器的法兰盘。

（2）一个陷波器X，参见附图2：陷波器X上下两端有合金铝制成的接头JT，每个接头JT的一端制成法兰盘，另一端有旋接螺纹；中间有穿孔，法兰盘中有凹槽，槽中有M3螺孔。上下两端的合金铝接头JT分别与上下两节天线通过法兰盘连接。管状外壳BLGG采用一段适当长的粗玻璃钢管即可，两端内壁有螺纹，两个接头JT旋接于管状外壳BLGG。管状外壳BLGG内含有一个由适当长度的较细玻璃钢管制作的骨架GJ，用于绕制电感L的骨架。电感L可采用较粗铜导线绕制在骨架GJ上。骨架GJ外有与电感L并联的电容C、与电容C一起与电感L并联的电阻R，电感L、电容C和电阻R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，由两只M3螺钉GD紧密固定在接头JT的凹槽中。管状外壳BLGG的内部空间NBKJ填满绝缘导热硅脂，包裹整个谐振回路组件，使谐振回路的电容C等元件通过陷波器X两端接头有效散热，确保谐振回路稳定工作。

（3）一根天线下节B，用较粗合金铝管制成，其高为h₂，上端的法兰盘与陷波器连接，下端内螺纹与馈电基座K旋接。

（4）一个馈电基座K，参见附图3：主要由黄铜制成的天线接头TJT、胶木板制成的固定板JM、合金铝制成的底板DB、不锈钢制成的基座JZ和发射电缆接头DLT等组成。整体结构设计实现了优良的防水性能。

（5）一组地网D，可由8根或以上长约为λ₁/4的塑皮多股铜导线组成。实施例设置了8根。

为了便于调整，预制陷波器X时，电感L不宜过大，使并联谐振电容C远大于电感的分布电容。取电感L和电容C之合适值，使其谐振在雷达的工作频率f₂。取电阻R的合适值，适当减小谐振回路的Q值，从而减小通过电容C的电流，防止电容过热，保障谐振回路稳定工作，实现发射天线的合适工作频带。

按上述要求安装的发射天线，当雷达工作频率为f₂时，由于LCR并联谐振，谐振频率为陷波器呈现很高的阻抗，致使天线上节A等效被隔离，其上电流趋于零；天线下节B成为谐振在f₂的四分之一波长垂直单极子，其高满足h₂＝k₂λ₂/4，其中k₂为缩短因子，λ₂是信号频率f₂对应的波长。该天线的辐射方向图主瓣沿地面。

当雷达工作在远低于f₂的频率f₁时（例如取f₂≈2f₁，具体实施时本发明技术人员可根据情况设定频率f₁、f₂的数值），陷波器X失配，等效为一个加载电感，使天线整体高度增加h₃，此时由天线上节A、陷波器X和天线下节B连接成的天线整体成为谐振在频率f₁的四分之一波长的垂直单极子，天线整体高度与雷达波长λ₁满足(h₁+h₂+h₃)＝k₁λ₁/4，其中k₁是缩短因子。这种情况下，该天线的辐射方向图主瓣同样沿地面。

当雷达信号频率远低于f₂时，陷波器“失配”，等效为一个加载电感，使天线整体高度等效增加h₃，这就使整个天线组成谐振在较低频率f₁的四分之一波长单极子，且满足(h₁+h₂+h₃)＝kλ₁/4，同样具有沿地面的辐射方向图主瓣。

于是，本发明可以方便地工作在分别以f₁和f₂为中心频率的两个频带上，且二者都具有沿地面的方向图主瓣。

缩短因子是指天线谐振在基频时，其输入阻抗为纯电阻，电抗为零，达到与电缆匹配，相应的天线高度比基频的λ4有所缩短。缩短因子k和天线高度h与截面直径a之比h/a有关，也与天线馈电点的电磁环境有关，大量实验数据证实k≈0.90→0.96。

为便于实施参考起见，以下对本发明技术方案所提供双频发射单极子天线的制作过程进行说明：

根据已确定的约相差一个倍频程的两个雷达频率f₁和f₂（例如设f₂≈2f₁），得到相应的两个雷达信号波长λ₁和λ₂，且λ₁≈2λ₂，进一步按下述步骤确定双频发射单极子天线的各个参数：

1.如图2所示制作陷波器X。其中最重的是根据

$f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

其中C为电容C的电容值，L为电感L的电感值。确定并联谐振电感L和电容C时，电感L不能太大，使电容C远大于电感的分布电容，比如说使电容C不小于几十（pF），这样才便于调整控制陷波器X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L的骨架GJ，该骨架GJ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GJ一端的小孔，留出足够长的引线，拉紧导线在骨架GJ上绕制电感N圈，最后将导线另一头拉紧穿过骨架GJ上的小孔，电感便绕制完成。将骨架GJ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L(μH)，再由（1）式计算并联电容为C(pF)。将选定的电容C在骨架GJ外与电阻R一起，并联焊接在骨架GJ两端已上锡的电感导线上。选取电阻R之值时应当注意，并联电阻R降低了谐振回路的Q值，这就减小了通过电容C的电流，防止电容器过热，保障谐振回路稳定工作，同时保障了发射天线具有合适的工作频带。另一方面，R足够大，保障谐振回路在谐振状态下具有很大的阻抗，从而有效隔离上节天线。

将一个陷波器接头JT旋进管状外壳BLGG的一端，再将上述在骨架GJ上绕制的电感L、电容C和电阻R并联组合体装入管状外壳BLGG中，细心让电感引线从接头JT中孔穿出，用螺钉GD固定在接头凹槽中。随后将上述电感另一端引线从另一个接头JT的中孔穿出，接着把该接头旋进管状外壳BLGG，再用螺钉GD把电感引线固定在该接头JT的凹槽中。最后，通过接头中孔给玻璃钢管内部空间NBKJ注满绝缘导热硅脂。

到此完成了陷波器X的安装。用网络分析仪测试该陷波器的并联谐振状态，可证明其谐振频率的确为f₂。

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h₃约等于绕制电感L的导线长度（包括两端引线）。

2.制作天线下节B。用较粗的高强度防腐合金铝管制作天线下节B，其高度h₂满足

$h_2=\frac{k_2{\mathrm{\λ}}_2}{4}---\left(2\right)$

其中k₂称作“缩短因子”，表示天线在f₂达到谐振时，其高度比四分之一波长有所缩短。缩短因子和天线高度与其直径之比有关，也与天线馈电点的电磁环境有关，经验取值范围(0.90→0.96)，实施例制作天线下节B时，取k₂＝0.9。

天线下节B一端装有法兰盘，用于连接上面的陷波器X（见图1和图2）；另一端制作了内螺纹，用于连接下面馈电基座的天线接头TJT（见图1和图3）。

3.制作天线上节A。用较细的高强度防腐合金铝管制作天线上节A。如上所述，当天线工作频率f₁时，由于陷波器失配，其效果如同一个加载电感，它使天线整体高度的增加量h₃约等于绕制电感L的导线长度（包括两端引线）。这时天线上节A才有电流贡献辐射，其高度h₁满足

$(h_1+h_2+h_3)=\frac{k_1{\mathrm{\λ}}_1}{4}---\left(3\right)$

其中k₁称作“缩短因子”，表示天线在f₁达到谐振时，其高度比四分之一波长有所缩短。在制作天线上节A时取k₁＝0.94。

天线上节A下端装有法兰盘，用于连接下面的陷波器X（见图1和图2）。

4.如图3制作馈电基座K。包括：

用黄铜棒制作天线接头TJT，上端有螺纹，用于连接天线下节B；下端四周有4个M5螺孔，用于固定在下面的固定板JM上。中心有M4螺孔，备发射电缆芯螺丝旋入；下面有圆形的防水圈槽。

制作固定板JM，为圆形胶木绝缘固定板，上下两面有圆形的防水圈槽；下端中部有凹槽，其上四周有4个M5螺孔，用于固定天线接头TJT；中心有穿孔。下端四周有6个M4螺孔，用于固定下方的底板DB。四周外缘有4个φ10孔，用于整体固定。

制作合金铝的底板DB，上面有圆形的防水圈槽；下面中部有圆形的防水凹槽FSC；中间有电缆接头过孔；四周有6个φ5穿孔，用于把底板固定在上方的固定板JM上。四周外缘有4个φ10孔，用于整体固定。

制作不锈钢基座JZ，是一个用不锈钢制成的工形基座，上下两端圆盘外缘四周各有4个φ10孔，用于整体固定。中柱下端开有一侧面孔，足以穿过发射电缆头。中柱下端四周均匀分布着8个M5螺孔，用于固定8根地网。

制作发射电缆接头DLT，是一个固定在底板DB的发射电缆头，黄铜制成的M4螺丝LS。

整体结构设计实现了优良的防水性能。

固定板JM下面中间的凹槽中，四个M6螺钉固定了天线接头JT，两者间安有圆形的防水圈FSQ。底板DB用6个M4螺钉固定在固定板JM下面，两者间也安有圆形的防水圈FSQ。底板DB下方制作有防水槽FSC。固定板JM与天线接头JT、底板DB之间的两道防水圈FSQ以及底板DB下方的防水槽FSC保障馈电基座整体的防水性能。

发射电缆接头DLT的芯端焊接一个黄铜制成的M4螺丝LS，先将发射电缆接头DLT上端穿过底板DB中的电缆接头过孔，将螺丝LS旋进天线接头JT，拧紧到合适位置最后把发射电缆接头DLT固定在底板DB下面。这样螺丝LS的一头焊接在发射电缆头DLT上，另一头旋进天线接头JT下部的中心孔。

为便于实施参考起见，以下对本发明技术方案所提供双频发射单极子天线的整体现场安装与测试过程进行说明：

如图1所示，先将天线上节A、陷波器X、天线下节B、馈电基座上的天线接头TJT（未上固定螺钉GD之前）依次连接起来，将发射电缆一头从基座JZ侧面孔中穿入，随后将电缆头旋进发射电缆接头DLT，拧紧，最后用螺钉GD把固定板JM和基座JZ固定起来。待整个天线立起后，再通过预埋入混凝土基础DM中的接地螺钉JD把基座JZ固定起来。如果地面没有预制混凝土基础，可在三个方向上用三根拉线把天线竖立起来。

现场安装时，待发射天线立起后，把每根地网线焊接有连接片的一端用不锈钢螺钉固定在基座下端的螺孔，另一端沿地面成辐射状平铺拉开，使地网线八方均匀分布。

完成整个天线的架设之后，用网络分析仪测试该双频发射单极子天线的谐振特性，证明该天线的确谐振在f₁和f₂两个频率。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单极子和标准单极子上，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，可验证双频发射单极子天线辐射主瓣沿地面的特性。

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。

Claims (6)

1.一种用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：包括天线上节A、陷波器X、天线下节B、馈电基座K和地网D，天线上节A和天线下节B之间采用陷波器X连接，天线下节B旋接在馈电基座K上，馈电基座K连接地网D；

陷波器X包括绝缘的管状外壳，管状外壳内部设置谐振回路，所述谐振回路由电感L、电容C和电阻R并联组成；

天线下节B的高h₂＝k₂λ₂/4，其中k₂为缩短因子，λ₂是雷达工作频率f₂对应的波长；天线上节A的高h₁满足(h₁+h₂+h₃)＝k₁λ₁/4，其中，k₁是缩短因子，λ₁是雷达工作频率f₁对应的波长，h₃是当雷达工作在频率f₁时，陷波器X失配等效为一个加载电感使天线整体增加的高度；

陷波器X在频率f₂谐振隔离天线上节A与天线下节B，使天线下节B单独构成工作于频率f₂的单极子，其中C为电容C的电容值，L为电感L的电感值；在远低于f₂的频率f₁，陷波器X失谐，等效一个连接天线上节A与天线下节B的加载电感，三者构成工作于频率f₁的单极子。

2.根据权利要求1所述用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：天线下节B的高h₂＝k₂λ₂/4，其中k₂为缩短因子，λ₂是雷达工作频率f₂对应的波长；天线上节A的高h₁满足(h₁+h₂+h₃)＝k₁λ₁/4，其中，k₁是缩短因子，λ₁是雷达工作频率f₁对应的波长，频率f₁远低于频率f₂，h₃是当雷达工作在频率f₁时，陷波器X失配等效为一个加载电感使天线整体增加的高度。

3.根据权利要求2所述用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：陷波器X的管状外壳上端设有用于连接天线上节A的接头；管状外壳下端设有用于连接天线下节B的接头；管状外壳内部设置谐振回路同时填满绝缘导热硅脂。

4.根据权利要求3所述用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：馈电基座K包括天线接头TJT、固定板JM、底板DB、基座JZ和发射电缆接头DLT组成，固定板JM上方固定天线接头TJT，下方固定底板DB；发射电缆接头DLT的芯端焊接有一个螺丝LS，螺丝LS穿过底板DB旋进天线接头TJT，将发射电缆接头DLT固定在底板DB下面。

5.根据权利要求4所述用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：固定板JM与天线接头TJT、底板DB之间分别设置一道防水圈FSQ，底板DB下方设置防水槽FSC。

6.根据权利要求4或5所述用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线，其特征在于：地网D由8根约长λ₁/4的导线组成，每根导线一头连接在基座JZ的接地端，另一头成辐射状平铺在地上。