CN105006648A - 用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，该系统将可在双频下同时接收雷达回波信号的两个水平正交环天线和可在双频下交替用于发射和接收雷达信号的垂直单极子组合在一根支杆上；用于目标方向测定（DF）时，利用两个正交环接收回波信号的内在本质特征直接得到接收天线的理想方向性图，不需要进行天线方向性图的麻烦的现场测量；而且同时采用两个频率工作的雷达极大地提高了探测性能。天线支杆组成单极子的一部分，具有很强的刚性，因而使该天线系统固定在混凝土基座上不需要拉绳。

Description

用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统

技术领域

本发明涉及高频地波雷达技术领域，尤其涉及一种用于双频工作状态下的高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆天线。

背景技术

50年前已经开始使用高频地波雷达。为了增大探测距离，这种雷达一般采用几兆赫兹到十几兆赫兹的较低工作频率；为了提高探测目标方位的精度，通常采用相控阵天线，天线阵长一般达几百米甚至几千米。所有的岸基高频雷达都必须架设在海边，而海边要找到适合架设这种庞大天线阵的场地十分困难，加上维护成本高，从而限制了这种雷达的广泛应用。因此，如何简化高频海态雷达天线结构、减小天线尺度一直是人们广泛关心的技术难题。

美国专利US4172255为高频海洋雷达发明了一种交叉环/单极子天线及其相应的雷达数据处理方法，这种三单元天线系统结构紧凑，占地很少，架设和维护十分方便，特别适合各种探测距离的高频海态雷达。我们于2004年也研制了类似的“单极子/正交有源环天线”(专利号:ZL03254833.8)。这些交叉环/单极子天线有四根水平振子用作单极子的“地”，这使该天线复杂化。2010年我们研制了除掉四根水平地振子的“便携式高频探海雷达的紧凑接收天线”(专利号:ZL200920086180.4)。这种单极子/交叉环接收天线，加上单独使用的单极子发射天线，虽然比传统相控阵占地面积小了许多，但还可以更加简化。于是，我们将以前的单极子/正交环天线除掉了四根水平地鞭，变成偶极子/正交环天线，其中通过传输线变压器实现馈电电缆与偶极子之间的不平衡-平衡变换，并可承受雷达发射机的额定射频功率，获得雷达必须的工作带宽和驻波比。在收发开关控制下，这个一杆支起的天线系统成为雷达的收发一体化天线，给便携式雷达的实际应用带来方便。这就是2011年获得的专利“用于高频地波雷达的收发一体化天线”(专利号:ZL201020229647.9)。

然而，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，能探测的最大浪高较小；频率较低，探测数据精度较低，但探测距离较远，能探测的最大浪高较大。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。因此，采用多个频率工作的雷达，性能的改善是显而易见的。为了满足这种需求，我们获得发明专利“用于便携式高频地波雷达的双频发射单极子天线”(公开号：102904024A)。

几十年来，困扰这种紧凑的高频雷达天线的另一个问题是，为了保障测量得到海上目标方位精度，必须实地测量雷达接收天线的方向性图。其传统作法是在船上安装应答器天线，让船在围绕雷达站等距离的海面航行接收应答器发射信号，记录雷达回波信号强度随船体位置的变化，从而得到雷达接收天线的方向性图。这显然是一项十分麻烦的工作。

本发明将双频正交环接收天线和双频收发共用的单极子组合在一根支杆上，构成适用于高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆天线，进一步减小了天线场地，降低了雷达站建设成本；与此同时，利用水平正交环接收雷达回波信号的内在本质特征，第一次直接从正交环接收回波信号得到接收天线的理想方向性图，不仅免除了世界上通常实地测量接收天线方向性图的麻烦，提高了雷达实际探测能力，还大大降低了对雷达建站环境条件的要求。发明专利(公开号：203519823U)为该天线系统的双频收发共用单极子提供了收发开关，而发明专利(公开号：104659491A)为该天线系统接收回波信号处理提供了目标方位角估计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于便携式高频海洋雷达的双频正交环/单极子收发共杆的紧凑天线系统，其中双频单极子作为发射天线时，两个频率的辐射方向性图主瓣都沿地面；双频正交环和单极子作为接收天线测定目标方向(DF)时，利用两个正交环接收雷达回波的内在本质特征直接得到接收天线的理想“8”字形方向性图，不需要在海上现场测量接收天线方向性图。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，包括上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、馈电底座DZ和基座JZ，上述部件自上而下依次连接，通过基座JZ直立地架设在地面上；基座JZ上接有8根以上长为四分之一雷达波长且成辐射状地平铺在地面的导线，形成改善地面导电性能的地网。

而且，陷波器XBQ包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接上天线体STX的接头，管状外壳下端设有用于连接防水盒FSH的接头；管状外壳内部在上下接头之间设置三个集总元件LCR并联回路，其中L为绕在绝缘棒上粗导线线圈的电感，C为高压低损耗电容，R为大功率大阻值电阻；所述并联回路的谐振频率等于雷达较高的工作频率 $f_1=1/2\mathrm{\π}\sqrt{LC}.$

而且，防水盒FSH固定在底板DB上；而底板DB上还安装有电路板DLB，其上固定有用于接收雷达回波信号的两个相互正交的铁氧体环天线AH和BH。其中每个铁氧体环天线由两半组成，它们由导线绕在共轴的铁氧体棒上线圈组成，其电感为L1和L2，在它们之间串联一只由高速电子开关控制的两个可调节电容C；当雷达工作频率为f₁时，调节该电容使之等于C1，且满足当雷达工作频率为f₂时，调节该电容使之等于C2，且满足 $f_2=1/2\mathrm{\π}\sqrt{(L1+L2)C2}.$

而且，每个环天线接收雷达回波信号通过匹配变压器BYQ耦合到放大器F，随后通过回波信号与供电直流“多路复用”的接头SMA输出。上述可变电容C、电子开关K、变压器BYQ、放大器F、接头SMA及其他几个元件都安装在电路板DLB上；转接两个回波输出接头SMA和一个控制输入接头SMA的3个TNC接头则安装在防水盒底板DB的中央。连接3个TNC接头的3根电缆穿过下天线体XTX及其底座DZ，最后与安装在该底座DZ上的单极子底馈电缆一起从该天线基座JZ的侧孔引出。

而且，上天线体STX、陷波器XBQ、下天线体XTX组成双频单极子收发共用天线，该双频单极子收发共用天线与防水盒内的两个水平正交的双频环天线AH和BH共同建构在一根垂直支杆上；这3组天线的轴线相互正交，其相位中心在与单极子重合的垂直轴线上；防水盒固定在下天线体顶端，处于上天线体和下天线体中间的陷波器固定在防水盒顶端。

而且，两个水平正交环AH与BH接收雷达回波信号的内在本质特征是：从任一方向θ到达天线体的垂直极化的海洋雷达回波，其磁场与传播矢量垂直，而回波磁场在两个正交的环天线轴线上的分量分别为a＝H sinθ和b＝H cosθ，且a²+b²＝H²，即存在下列关系：

$\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}=sin\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}=cos\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

众所周知，环上感应的电压正比于垂直穿过环面积的磁通量，即V(θ)＝ωμSNH(θ)，其中ω是雷达圆频率，μ是铁氧体棒的有效磁导率，S是环面积，N是铁氧体环线圈圈数。因此，AH接收回波信号电压为a(θ)＝ωμSNH sinθ，BH接收回波信号强度为b(θ)＝ωμSNH cosθ，回波电压模量为因此，如果两个正交环接收回波信号电压分别按回波电压模量归一化就得到：

$\frac{a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2\left(\mathrm{\θ}\right)+b^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}=sin\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

$\frac{b\left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2\left(\mathrm{\θ}\right)+b^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}=cos\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

这与(1)式及(2)式的形式完全相同。显然，只要保障两个环接收天线完全正交，相应电路完全对称，两个接收通道具有相等的增益，则AH接收的任意方向θ的回波信号电压被回波电压模量模归一化就满足(3)式，同时BH接收的任意方向θ的回波电压被回波电压模量模归一化就满足(4)式，如此得到的接收环天线的方向性图就是理想的“8”字形。按照该发明的方向性图技术处理雷达回波数据，提高了雷达测向精度，这彻底改变了几十年来惯常采用的现场测量接收天线方向性图的麻烦方法。

而且，陷波器XBQ下接头通过插头CT与设在防水盒FSH内的电路板DLB中心的下天线体XTX的插头端子连接。于是，当陷波器谐振到雷达的较高频率时f₁时，防水盒高度h4与下天线体XTX高度h1形成较低的单极子，其高度之和满足h1+h4＝k₁λ₁/4，其中k₁为缩短因子，λ₁是雷达工作频率f₁对应的波长。

而且，当雷达工作在较低频率f₂(波长为λ₂，λ₂＞λ₁)时，陷波器XBQ失谐，等效于一个加载电感L'，其等效高度h₃'远大于陷波器的实际高度h3；此时，上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、下天线体XTX组成较高的单极子，其高度满足h1+h4+h₃'+h2＝k₂λ₂/4，其中k₂缩短因子。

而且，地网由8根约长λ₂/4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。

而且，上天线体STX由两节玻璃钢鞭天线组成；下天线体XTX由两节合金铝管天线组成，下天线体合金铝管外包玻璃钢防御外界侵蚀；下天线体合金铝管中有从防水盒固定底板下引出的接收天线部分3根电缆穿过，下天线体及其底座有很好的刚性，使该天线系统固定在混泥土基座上时不需要拉绳固定。

而且，防水盒内的两个水平正交的双频环天线，其中每一环天线由绕在对称的两组铁氧体棒上的线圈组成，其线圈导线总长度小于雷达波长的十分之一，其中串联了一个可变电容C，使该环天线组成一个串联谐振电路，谐振到雷达回波频率；该接收回波信号通过匹配变压器耦合到环信号放大器，再通过回波信号与供电直流“多路复用”的接头输送到接收机。

而且，防水盒与下天线体的连接采用了一组固定圈组件GDQ，其中用4个螺钉固定在防水盒底板DB中央的底板圈内侧有左旋反螺纹，与下天线体旋接的固定圈上端外侧有与其配合的左旋外螺纹，下端有与下天线体顶端配合的内侧右旋正螺纹；当旋转该固定圈时，上部防水盒与下部天线体无需旋转地同时进退，这便于该天线系统的安装和拆卸；该固定圈与底板固定圈之间套有一个拉绳圈，供该天线系统架设在土质地面时3方固定拉绳所用。

本发明具有以下优点和积极效果：

①本发明的双频收发共杆天线系统，其中的双频收发共用单极子可同时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双频正交环接收天线与双频收发共用单极子组合在一根支杆上，大大减小了雷达天线场地面积，降低了雷达建站成本，增加了应用的灵活性；而雷达采用双频工作，提高了探测数据精度和覆盖范围，提高了雷达的探测能力。

④利用正交环接收雷达回波的内在本质特征直接从接收天线回波信号得到接收天线的理想方向性图，不仅免除了海上现场探测接收天线方向性图的困难，还提高了雷达测向精度。这项技术还降低了高频地波雷达建站对环境的要求。

附图说明

图1是双频正交环/单极子收发共杆天线系统总体图。

图2是组成双频收发共用单极子的陷波器结构图。

图3是防水盒内部双频水平正交环接收天线及其外部连接的结构图。

图4是双频正交环接收天线的电路图。

图5是水平正交环接收雷达垂直极化回波信号的内在本征关系图。

图6是采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达框图。

各部分详细说明如下：

图1中：

STX—双频单极子的上天线体，为一般玻璃钢鞭天线，高度为h2；

XBQ—连接双频单极子上天线体和下天线体的陷波器，其内部是一组LCR并联电路，本身高度为h3；

FSH—玻璃钢防水盒，其内部安装有水平正交的双频铁氧体环接收天线，其本身高度为h4；

GDQ—一套固定圈组件，由3个部件组成：安装在防水盒底板中央的底板固定圈，连接底板固定圈和下天线体的旋接固定圈，以及套在两者之间的拉绳圈；

XTX—下天线体，由包裹着玻璃钢的合金铝管组成，管中有从防水盒底板引出的3根电缆，其本身高度为h1；

DZ—双频正交环/单极子收发共杆天线底座，其下端安装有单极子馈电电缆接头，并有穿过上述3根电缆的孔；

JZ—双频正交环/单极子收发共杆天线的不锈钢基座，单极子的馈电电缆和来自正交环天线的3根电缆由其侧孔引出，其底端四周有连接8根地网的螺孔。

ZX—该天线系统的中轴线。

图2中：

SJT—陷波器的黄铜上接头，与上天线体旋接；

XJT—陷波器的黄铜下接头，与防水盒固定插头CT旋接；

BLG—陷波器上接头与下接头连接的玻璃钢管；

SJB—上黄铜接线板；

XJB—下黄铜接线板；

GJ—绕制电感线圈的绝缘棒骨架，两端固定在上接线板与下接线板；

L—粗铜线在GJ上绕制的线圈电感量，两端与上接线板和下接线板焊接；

C—高压低耗电容，两端与上接线板和下接线板焊接；

R—大功率高阻值电阻，两端与上接线板和下接线板焊接；

GD—不锈钢固定螺钉；

DX—焊接在上接线板SJB上的粗铜导线，从上接头SJT中心的孔中穿出，用螺钉GD固定在上接头的端面上。

图3中：

FSH—玻璃钢防水盒；

DLB—安装双频正交环接收天线的电路板；

DB—固定防水盒的底板，其下面中央安装有固定圈组件GDQ；

AH—安装在电路板DLB上的铁氧体A环接收天线，由对称的两半组成，其中串联的可变电容没有画出；

BH—安装在电路板DLB上的铁氧体B环接收天线，由对称的两半组成，其中串联的可变电容没有画出；

CT—将陷波器XBQ固定在防水盒FSH顶部中央并与安装在电路板DLB中心的下天线体XTX连接端子插接的黄铜插头；

TYT—套在两个环输出电缆上端用于抗共模干扰的铁氧体环；

ADL—A环接收回波信号输出电缆，其上端套有抗共模干扰的铁氧体环TYT；

BDL—B环接收回波信号输出电缆，其上端套有抗共模干扰的铁氧体环TYT；

KDL—给两个正交环电子开关提供控制信号的电缆。

图4中：

L1，L2—绕在两半铁氧体棒上的电感；

C1，C2—两个可调节的电容；

K—高速双节点电子开关，分别将C1或C2与(L1+L2)串联，调整CI，使之谐振在雷达工作频率f₁；或调整C2，使之谐振在雷达工作频率f₂；

BYQ—串联谐振环接收回波信号的匹配输出变压器；

F—环接收回波信号放大器；

SMA—环接收回波信号输出与放大器供电直流输入的“多路复用”接头。

图5中：

—垂直极化的雷达海洋回波的波矢量；

YX—在理想的自由空间，表示雷达回波强度“各向同性”的圆线，在任意方向上回波磁场强度相等；

QX—在实际空间中，表示雷达回波强度“各向异性”的曲线，在任意方向上回波磁场强度不一定相等；

θ—雷达回波的任一方向；

H—在理想情况下，圆线YX上回波磁场强度模量，在两个正交环轴线x轴(A环)和y轴(B环)上的分量分别为a和b；

H’—在实际情况下，天线方向性图发生畸变，曲线QX上回波磁场模量，在两个正交环轴线x轴(A环)和y轴(B环)上的分量分别为a’和b’。

图6中

JSJ—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达的接收机；

FSJ—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达的发射机；

SFK—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达的收发开关；

A—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达天线系统中的双频A环；

AF—双频A环接收雷达回波放大器；

ATD—雷达接收机JSJ中的双频A环回波通道；

B—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达天线系统中的双频B环；

BF—双频B环接收雷达回波放大器；

BTD—雷达接收机JSJ中的双频B环回波通道；

C—采用双频正交环/单极子收发共杆天线的高频海洋雷达天线系统中的双频收发共用单极子。

CTD—双频单极子C做接收天线使用时的接收通道。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明发明的具体实施方式。

一.关于与正交环接收天线共杆的收发共用的双频单极子：

根据图1，该双频收发共用单极子由上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、底座DZ、基座JZ相继连接而成。其中，上天线体STX是一般的两节玻璃钢鞭天线；下天线体XTX由两节合金铝管组成，为了防御外界(如风雨、盐雾)的侵蚀，合金铝管外包裹了玻璃钢。底座DZ由上下两部分组成，上部为中空的绝缘聚碳酸脂座，顶端安装有与下天线体XTX旋接的黄铜接头；下端安装有防水结构的黄铜圆盘，该圆盘上安装了单极子底馈电缆N型接头，其芯子焊接一根粗导线，该导线的另一端用螺钉固定在上述黄铜接头底端，实现了单极子馈电电缆与单极子天线体的连接；该圆盘上还开孔允许3根接收电缆与控制电缆穿过。不锈钢基座JZ通过上端四周的4个固定螺钉与底座DZ连接，其下端四周有8个螺孔，安装8根成辐射状平铺的1/4波长的粗导线形成的地网，用于增加地面的导电性。接收天线的3根电缆与单极子的馈电电缆从基座JZ的侧孔引出。

图2说明双频单极子核心部件—陷波器XBQ的结构，它主要由黄铜上接头SJT、黄铜下接头XJT、玻璃钢管BLG、黄铜上接线板SJB、黄铜下接线板XJB、绝缘棒电感绕线骨架GJ、粗导线绕制的电感L、高压低耗电容C、高功率大阻值电阻R等组成，其中电感L、电容C、电阻R两端分别与上接线板SJB和下接线板JXB焊接，形成LCR并联电路。其中电容C足够大(例如大于10PF)，使其远大于分布电容，方便该并联谐振电路的调节。下接线板XJB直接固定在下接头XJT上；上接线板SJB焊接一根粗铜导线，该导线穿过上接头SJT中间孔后用螺钉固定在上接头SJT顶端；玻璃钢管BLG是作为陷波器XBQ的外壳使用，起防水、绝缘和支撑作用。导线绕在绝缘棒骨架GJ上形成陷波器XBQ并联电路的电感L。

陷波器XBQ与下天线体XTX的连接参考图3说明。一组黄铜制作的插头组件CT，上接头下端细长，穿过防水盒FSH顶部中央，在防水盒内部用螺帽固定；CT上接头螺纹与陷波器旋接。CT下端中间有合适的深孔，而在电路板DLB中心朝上固定有带弹片的下天线体黄铜插头，当防水盒FSH对准罩上并固定在其底板DB时，带弹片的下天线体黄铜插头刚好紧密地插入插头组件CT的下端深孔之中。与此同时，固定圈组件GDQ实现下天线体XTX和防水盒FSH的连接。固定圈组件GDQ分为3个部分(图中未分别画出；本领域技术人员完全明确该部分的结构)：①用4个螺钉固定在防水盒底板DB下面中央的底板固定圈D-GDQ，采用合金铝制成，其内侧车制有左旋反螺纹，它包围着安装在底板DB中央并清晰标注有A、B、K的3个TNC接头，分别是A环回波输出电缆接头、B环回波输出电缆接头和电子开关控制信号电缆接头。底板固定圈D-GDQ的4个螺钉中的至少一个用一根粗导线与电路板DB中心的上述“下天线体黄铜插头”根部焊接在一起，通过陷波器XBQ实现下天线体XTX和上天线体STX的连接。②与下天线体旋接的固定圈X-GDQ，采用合金铝制成，其上端外侧车制有与固定圈D-GDQ内侧匹配的左旋反螺纹，其下端内侧车制有与下天线体XTX上端外侧匹配的右旋正螺纹。显然，当安装或拆卸天线系统时，旋转该固定圈X-GDQ时，防水盒FSH与下天线体TXT在不需旋转的状态下同时进退，这就方便了天线系统的安装与拆卸。③套在上述两个固定圈D-GDQ和X-GDQ之间的拉绳固定圈L-GDQ，采用优质绝缘板制成，其上相间120°有3个拉绳孔，供该天线系统架设在一般地面上时固定三方拉绳所用。

如上所述就构建了与正交环接收天线共杆的收发共用的双频单极子。当陷波器XBQ中的并联电路调谐到雷达较高的工作频率f₁(对应波长为λ₁)时，陷波器XBQ的阻抗很大，使得上天线体STX电流趋于零，实际上只下天线体XTX工作，防水盒高度h4与下天线体XTX高度h1形成较低的单极子，其高度之和满足h1+h4＝k₁λ₁/4，其中k₁为缩短因子，λ₁是雷达工作频率f₁对应的波长。

而且，当雷达工作在较低频率f₂(波长为λ₂，λ₂＞λ₁)时，陷波器XBQ失谐，LCR并联电路等效于一个加载电感L'，其等效高度h₃'远大于陷波器的实际高度h3；此时，上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、下天线体XTX组成较高的单极子，其高度满足h1+h4+h₃'+h2＝k₂λ₂/4，其中k₂缩短因子，λ₂是雷达工作频率f₂对应的波长。

图6说明，与安装在防水盒FSH内的双频正交环A、B共杆的该双频单极子C通过收发开关SFK与接收机JSJ和发射机FSJ相接，实现收发共用。

一个实例如下：L＝2.8uH，C＝51pF，R＝2.2kΩ(5W)，实测谐振频率f₁＝13.3MHz，对应波长为λ₁≈2250cm，经典1/4波长单极子高为λ₁/4＝564cm，而此时单极子实际高度h＝h1+h4＝515cm，这相当于缩短因子k₁＝0.913。陷波器XBQ失谐时，单极子实际高度h＝h1+h2+h3+h4＝881cm，其“谐振单极子”频率为f₂＝7.32MHz，对应波长为λ₂≈4098cm，其经典1/4波长单极子高为λ₂/4＝1024.5cm；如果取缩短因子k₂＝k₁＝0.913，则单极子实际高度应该为h'＝1024.5×0.913≈935cm，由此可知陷波器失谐后，在雷达工作频率f₂＝7.32MHz等效于一个加载电感L'，其等效高度为h₃'＝54cm。

二.关于与双频收发共用单极子共杆的双频正交环接收天线：

结合图3和图4说明与双频收发共用单极子共杆的双频正交环接收天线。根据图3，两个正交的铁氧体环AH和BH安装在防水盒FSH内的电路板DLB上面，而该电路板固定在该防水盒底板DB上。图4给出了该双频正交环中一个环天线的具体电路，另一环天线电路与此完全相同。

根据图3，电路板DLB正面(上面)安装有铁氧体原环天线L1、L2,在铁氧体棒支架中心孔内电路板DLB上面安装有双频单极子下天线体XTX与陷波器下端插头CT插接的插座。在电路板DLB反面(下面)安装有图4给出的双频环天线电路中除原环天线L1、L2以外的所有电路元件。

图3中电路板GLB正面相互正交安装的两组铁氧体环天线，其中每组环天线对称地绕在两组共轴的短波铁氧体磁棒上，环线圈绕组总长1远小于雷达波长λ(如1＜λ/10)，保障高频信号电流沿环线圈接近均匀分布，使环天线在水平面内的方向性图成典型的“8”字形。每个环天线的两半在中间隔开，即如图4所示在L1和L2之间通过高速电子开关K串接一只可调节电容C1或C2，组成串联谐振电路，其谐振频率分别等于雷达的较高工作频率f₁ $(f_1=1/2\mathrm{\π}\sqrt{(L1+L2)C1})$ 或较低工作频率 $f_2(f_2=1/2\mathrm{\π}\sqrt{(L1+L2)C2}).$ 原环天线接收回波信号通过匹配变压器BYQ耦合到环放大器F，调整放大器直流偏置电阻使放大器获得30dB左右增益，该路回波信号通过与供电直流“多路复用”的接头SMA输送到接收机JSJ。

原环天线线圈的绕制方法是采用较粗漆包线沿两半磁棒轴线在正、反方向上来回间绕相同圈数，分别组成L1和L2，其绕制方向注意使L1感应电压与L2感应电压同相相加。这种特殊的绕制方法使环天线只对入射电波的磁场分量敏感，而对同一电波的电场分量不敏感，即环天线对电场具备了某种屏蔽作用，这就有效抑制了人为干扰的感应场，从而明显提高了信噪比，并避免了环天线“8”字形方向性图由于接收沿磁棒轴的纵向电场分量引起的畸变。

由于在同一电波的激励下环天线的输出比单极子的输出小得多(约30dB)，而雷达信号处理需要它们具有相等的电平，故单极子不接前置放大器，环天线接有前置放大器，组成有源环。调整两个铁氧体环天线参数和前置放大器增益，使其输出与单极子输出相当，它们的相等的电平要进一步在接收机信号处理软件中实现。随后按照成熟的信号处理方法，实现雷达天线的方位角扫描。

该双频正交环AH和BH接收的两路回波信号，以及高速电子开关K的输入信号，分别与安装在电路板DLB上的3个SMA接头连接，由此转接到防水盒底板DB下面中央分别标注有A、B、K的3个TNC型电缆接头。通过天线系统基座JZ、底座DZ、下天线体XTX穿出的3根足够长(例如50m)电缆，两端标记着“A”的是A环电缆ADL，两端标记着“B”的是B环电缆BDL，两端标记着“K”的是控制电缆KDL，分别对应地与安装在防水盒底板DB下面中央的3个有相同标记的TNC接头连接。在A环电缆ADL和B环电缆BDL的上端分别套有一组铁氧体环TYT，用于正交环电路抗共模干扰。这3根电缆的另一端分别与接收机JSJ的对应接头相接，绝不允许出差错。

在防水盒底板DB下面与两个正交环轴线成45°的方向上，明晰标注了指示正交环“法向”的箭头；架设该天线系统时，让该“法向”指向希望雷达覆盖的海面中心区域，在固定好天线后，随即测量并记录该方向，用于雷达定向(DF)数据处理。

该发明中，防水盒FSH安装在双频单极子的中部，即处于雷达较高频率f₁单极子(下天线体XTX)的顶端，陷波器XBQ谐振时，该处天线电流为零，发射信号不会对正交环天线造成干扰。当雷达工作在较低工作频率f₂时，陷波器XBQ失谐，此时上天线体STX、下天线体XTX、失谐陷波器等效加载电感等组成较高的单极子，因为是其底部馈电，处在该单极子中部的防水盒处的天线电流也较小，对正交环天线造成的干扰也较小。加上雷达发射与接收是分时间断工作的，接收回波信号不会受到发射信号的强干扰。

三.关于正交环/单极子接收天线的方向性图测量：

对于传统的单极子/交叉环天线来说，是从不同通道的接收回波幅度差异来确定目标的方位信息的，其中单极子感应垂直极化回波中的电场分量，理想方向图呈现各向同性的圆；两个正交环感应到的均为磁场分量，理想方向图呈现对称的“8”字形。常规处理两个正交环天线接收信号幅度是以单极子上的幅度作参考，从而抵消来自不同距离、方位的电磁波衰减的不一致。由于海洋回波的电磁场分量不一样，环境因素(例如金属栏杆、山体、房屋、地势起伏等)对单极子和两个环天线的影响也各不一样，因此这种处理方法就造成了天线方向图的畸变。当天线的实际方向图发生畸变时，如果仍然用理想方向图去估算目标方位，则会产生方位估计偏差；接收天线方向性图畸变越大，目标方位偏差也越大。为了保证方位估计的准确性，每次架设完天线后都需要重新实地测试天线的方向图。

美国CODAR公司公布了一种采用船载应答器测量远场天线方向图的方法，一直沿用至今。该方法是在船上安装应答器及其天线，让该船开到海上，围绕着岸基雷达站在一条等半径的圆形路径上航行，雷达接收机通道接收到应答器在不同的方位上发射的模拟目标信号，并根据应答器上记录的GPS坐标，来计算天线的方向图。这种通过设置人工信源来测试天线方向图的方法均存在耗时长，成本高，操作不便等缺点，且每当环境发生变化时需要重新测试，工作量很大。

本发明利用了多次实测正交环/单极子方向性图得到的对这种环天线接收海洋雷达回波的内在本质特征的新认识，提出将两个正交环接收回波信号电压按照回波电压的模量归一化，就直接得到了接收天线的理想方向性图，用于处理雷达回波数据就得到更为精确的目标方位信息，而且完全不必考利雷达站周围环境对接收天线方向性图的影响，或者说，本发明提出的方法“完全消除了雷达站周围环境对接收天线方向性图的影响”。

根据图5，两个水平正交环AH与BH接收雷达回波信号的内在本质特征是：它们分别感应接收的正是海洋雷达回波磁场的两个正交分量！假设A环接收天线主瓣在x轴方向，B环接收天线主瓣在与x轴正交的y轴方向。从任一方向θ到达天线系统的垂直极化的海洋雷达回波，其磁场与传播矢量垂直，而回波磁场在两个正交的环天线轴线上的分量分别为a＝H sinθ和b＝H cosθ，且a²+b²＝H²。在任何方向上，磁场强度的模H及其两个正交的分量a和b总是构成满足上述关系的“磁场直角三角形”，即存在下列关系：

$\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}=sin\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}=cos\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

众所周知，环上感应的电压正比于垂直穿过环面积的磁通量，即V(θ)＝ωμSNH(θ)，其中ω是雷达圆频率，μ是铁氧体棒的有效磁导率，S是环面积，N是铁氧体环线圈圈数。因此，AH接收回波信号电压为a(θ)＝ωμSNH sinθ，BH接收回波信号强度为b(θ)＝ωμSNH cosθ，回波电压模量为因此，如果两个正交环接收回波信号电压分别按回波电压模量归一化就得到：

$\frac{a\left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2\left(\mathrm{\θ}\right)+b^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}=sin\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

$\frac{b\left(\mathrm{\θ}\right)}{\sqrt{a^2\left(\mathrm{\θ}\right)+b^2\left(\mathrm{\θ}\right)}}=cos\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

这与(1)式及(2)式的形式完全相同。显然，只要保障两个环接收天线完全正交，相应电路完全对称，两个接收通道具有相等的增益，则AH接收的任意方向θ的回波信号电压被回波电压模量模归一化就满足(3)式，同时BH接收的任意方向θ的回波电压被回波电压模量模归一化就满足(4)式，如此得到的接收环天线的方向性图就是理想的“8”字形。按照该发明的方向性图技术处理雷达回波数据，提高了雷达测向精度，这彻底改变了几十年来惯常采用的现场测量接收天线方向性图的麻烦方法。

图5说明，当雷达天线处在“自由空间”时，一个“理想点源”发出的无方向性信号，从相等距离到达的回波信号就具有相同的强度，即磁场H形成一个圆。而当雷达天线处在实际环境下，不同方向的回波具有不同的幅度(由于发射天线不是无方向的，且回波在各个方向的衰减也不一样)，也就是我们通常关注的接收天线的方向性图发生了畸变。不管磁场H是在圆YX上，还是磁场H’在椭圆上甚至其他更难看的“畸变”曲线QX上，它的两个分量(a，b)或(a’，b’)被其模量归一化后，结果完全不变，就是由(1)式和(2)表示的来波方向角的正弦和余弦！无论回波来自哪个方向，也无论回波的强度受到地形地物的影响如何，以及不同方向的传播衰减如何，磁场H总是分成两个正交的分量a和b，H,a,b三者总是组成一个直角三角形，它们的关系由来波方向角唯一确定。

在实际雷达的正交环天线和接收机的几个通道中，它们的增益总不会完全一致，但这是出厂前可测定的，且与雷达站环境无关，因而是在雷达回波信号处理中可被消去的固定因子。雷达的天线系统一经在现场架设，按照本发明提出的正交环接收天线方向图处理技术得到的该天线系统的方向性图总是满足(3)式和(4)式的理想“8”字形。

Claims (10)

1.一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：包括上天线体STX、陷波器XBQ、防水盒FSH、固定圈组件GDQ、下天线体XTX、馈电底座DZ和基座JZ，上述部件自上而下依次连接，通过基座JZ直立地架设在地面上；基座JZ上接有8根以上长为四分之一雷达波长且成辐射状地平铺在地面的导线，形成改善地面导电性能的地网。

2.根据权利要求1所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述陷波器XBQ包括绝缘的管状外壳，管状外壳上端设有用于连接上天线体STX的上接头SJT，管状外壳下端设有用于连接防水盒FSH的下接头XJT；管状外壳内部在上接头和下接头之间设置三个集总元件LCR并联回路。

3.根据权利要求2所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述防水盒FSH固定在底板DB上；底板DB上还安装有电路板DLB，电路板DLB上固定有用于接收雷达回波信号的两个相互正交的铁氧体环天线AH和BH。

4.根据权利要求3所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述上天线体STX、陷波器XBQ、下天线体XTX组成双频单极子收发共用天线，该双频单极子收发共用天线与防水盒内的两个水平正交的双频环天线AH和BH共同建构在一根垂直支杆上；这3组天线的轴线相互正交，其相位中心在与单极子重合的垂直轴线上；防水盒固定在下天线体顶端，处于上天线体和下天线体中间的陷波器固定在防水盒顶端。

5.根据权利要求4所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述两个铁氧体环天线由两半组成，它们由导线绕在共轴的铁氧体棒上线圈组成，其电感为L1和L2，在它们之间串联一只由高速电子开关K控制的两个可调节电容C，每个环天线接收雷达回波信号通过匹配变压器BYQ耦合到放大器F，随后通过回波信号与供电直流“多路复用”的接头SMA输出。

6.根据权利要求5所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述可调节电容C、电子开关K、变压器BYQ、放大器F、接头SMA均安装在电路板DLB上；转接两个回波输出接头SMA和一个控制输入接头SMA的3个TNC接头安装在防水盒底板DB的中央；连接3个TNC接头的3根电缆穿过下天线体XTX及其底座DZ，最后与安装在该底座DZ上的单极子底馈电缆一起从该天线基座JZ的侧孔引出。

7.根据权利要求6所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述陷波器XBQ下接头通过插头CT与设在防水盒FSH内的电路板DLB中心的下天线体XTX的插头端子连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述上天线体STX由两节玻璃钢天线组成；下天线体XTX由两节合金铝管组成，下天线体合金铝管外包玻璃钢；下天线体合金铝管中有从防水盒固定底板下引出的接收天线部分3根电缆穿过，下天线体及其底座有很好的刚性，使该天线系统固定在混泥土基座上时不需要拉绳固定。

9.根据权利要求8所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述的防水盒内的两个水平正交的双频环天线，其中每一环天线由绕在对称的两组铁氧体棒上的线圈组成，其线圈导线总长度小于雷达波长的十分之一，其中串联了一个可变电容C，使该环天线组成一个串联谐振电路，谐振到雷达回波频率；该接收回波信号通过匹配变压器耦合到环信号放大器，再通过回波信号与供电直流“多路复用”的接头输送到接收机。

10.根据权利要求9所述的一种用于高频海洋雷达的双频收发共杆天线系统，其特征在于：所述防水盒与下天线体的连接采用了一组固定圈组件GDQ，其中用4个螺钉固定在防水盒底板DB中央的底板圈内侧有左旋反螺纹，与下天线体旋接的固定圈上端外侧有与其配合的左旋外螺纹，下端有与下天线体顶端配合的内侧右旋正螺纹；当旋转该固定圈时，上部防水盒与下部天线体无需旋转地同时进退，这便于该天线系统的安装和拆卸；该固定圈与底板固定圈之间套有一个拉绳圈，供该天线系统架设在土质地面时3方固定拉绳所用。