CN109786928A - 一种便携式高频地波雷达接收天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式高频地波雷达接收天线，包括单极子鞭状天线、屏蔽盒、交叉环天线和底座；屏蔽盒中内置电路板，电路板中集成有依次电连接的匹配电路、放大电路和滤波电路；交叉环天线包括两个交叉放置的环天线，每个环天线均包括顶部水平阵子、底部水平阵子和两个螺旋臂；所有螺旋臂均呈竖直状态，螺旋臂用于连接对应环天线中的顶部水平阵子和底部水平阵子；每个螺旋臂均包括塑料支撑棒和缠绕在塑料支撑棒上的若干匝螺旋环。本发明能提升环天线的输入阻抗，减小匹配难度，同时减小失配损耗。

Description

一种便携式高频地波雷达接收天线

技术领域

本发明涉及地波雷达技术领域，特别是一种便携式高频地波雷达接收天线。

背景技术

高频地波雷达作为一种军民两用的超视距雷达，军事上与普通雷达不同，可以不受地球曲率影响，发现视距外的舰船和直升机。民用方面，在探测海流、海浪和海风、灾害预警与救灾等方面有重要的应用价值。

由于常规的地波雷达采用相控阵天线，在海边占地动辄绵延几百至几千米，对场地要求太高。便携式天线的出现，则解决了这个问题，然而，便携式天线还存在着如下问题，有待解决：

1.便携式天线属于电小天线，天线大小远远小于地波雷达的谐振波长30米，因此效率很低。

2.单纯环天线的输入阻抗很小，而后端的放大电路及信号处理模块输入阻抗较大，阻抗相差较大的两者进行高频电磁波传输时阻抗不匹配，叠加产生驻波且驻波比过大，导致接收信号反射回天线，使雷达完全无法正常工作。

3.便携式天线的效率本来已经很低，现有的加载电阻的匹配方式会进一步降低天线的性能。

4.有些地波接收天线采用铁氧体材料来实现小型化，该材料必须和天线外辐射体紧密相连才能发挥作用。而地波雷达安装在海边，随着时间的推移以及海边潮湿环境会对这些暴露的铁氧体材料产生影响。另外，在工程实际应用中，随着铁氧体的磁导率及其他参数的改变，均会影响天线的性能，进而造成整个地波雷达的不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种便携式高频地波雷达接收天线，该便携式高频地波雷达接收天线能提升环天线的输入阻抗，减小匹配难度，同时减小失配损耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种便携式高频地波雷达接收天线，包括单极子鞭状天线、屏蔽盒、交叉环天线和底座；

单极子鞭状天线底部设置在屏蔽盒上，屏蔽盒中内置电路板，电路板中集中有依次电连接的匹配电路、放大电路和滤波电路。

交叉环天线包括两个交叉放置的环天线，每个环天线均包括顶部水平阵子、底部水平阵子和两个螺旋臂。

两个环天线的底部水平阵子均呈水平状态，且交叉安装在底座顶部。

两个环天线的顶部水平阵子均呈水平状态，每个顶部水平阵子均具有开口，且开口两端均接入匹配电路。

所有螺旋臂均呈竖直状态，螺旋臂用于连接对应环天线中的顶部水平阵子和底部水平阵子；每个螺旋臂均包括塑料支撑棒和缠绕在塑料支撑棒上的若干匝螺旋环。

通过对螺旋环的匝数、直径、间距、导线半径的调整，从而产生不同的电容和电感，提升环天线的输入阻抗，减小匹配难度，同时减小失配损耗。

每个环天线的大小均为电小天线。

每匝螺旋环的表面均覆盖有一层塑料保护层。

屏蔽盒内置在玻璃钢防水盒中，单极子鞭状天线底部设置在玻璃钢防水盒上，玻璃钢防水盒底部安装在顶部水平阵子上。

每根塑料支撑棒两端分别安装在对应的顶部水平阵子和底部水平阵子上。

塑料支撑棒采用螺钉固定在环天线的顶部水平阵子和底部水平阵子上，螺钉采用不锈钢材料，安装时，在螺钉的螺纹上涂覆有厌氧胶。

两个环天线均垂直于地面， 两个环天线中的顶部水平阵子或底部水平阵子相互垂直。

匹配电路由变容二极管提供谐振电容，环天线中的螺旋臂提供谐振电感，集成在电路板中的阻抗变压器完成平衡非平衡转换并进行阻抗变换，与阻抗为50欧姆的放大电路及滤波电路相匹配，放大电路提供30dB的增益，滤波电路提供七阶带通滤波。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种易于匹配的便携式地波雷达接收天线，该天线不仅使地波雷达天线小型化，在满足雷达信号处理要求的天线辐射性能方向图的同时，占地面积仅0.25平方米，同时把天线的匹配、放大、滤波等有源部分集成在天线顶部，并采用可调节的环天线双臂螺旋结构，产生所需的电容或电感值，大大提升天线输入阻抗，配合后端天线匹配电路，使得天线易于匹配，避免因失配造成雷达的失效。另外，本发明着重于在地波雷达工作频段实现易于匹配的便携式接收天线，可替代阵列式地波接收阵，对地波雷达的回波进行接收、匹配、放大、滤波，实现测流、测向功能。

附图说明

图1显示了本发明一种便携式高频地波雷达接收天线的整体结构示意图。

图2显示了交叉环天线的结构示意图。

图3显示了电路板中集成的匹配电路、放大电路及滤波电路示意图。

图4显示了本发明中便携式高频地波雷达接收天线水平面0-360°的辐射方向图。

其中有：

1.单极子鞭状天线；2.屏蔽盒；

3.交叉环天线；31.顶部水平阵子；32.底部水平阵子；33.螺旋臂；

4.支撑杆；

5.底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种便携式高频地波雷达接收天线，包括单极子鞭状天线1、屏蔽盒2、交叉环天线3、支撑杆4和底座5。

单极子鞭状天线为现有技术，主要包括避雷器、芯棒、电路匹配板、天线杆、漆包线、绝缘套，避雷器通过芯棒与电路匹配板相连，天线杆上绕制漆包线并套上绝缘套后一端焊接于鞭状天线自身的电路匹配板上，与交叉环天线同时工作。

单极子鞭状天线底部设置在屏蔽盒上，进一步优选，屏蔽盒内置在玻璃钢防水盒中，单极子鞭状天线底部设置在玻璃钢防水盒上，玻璃钢防水盒底部安装在下述的顶部水平阵子上。

上述屏蔽盒中内置电路板，如图3所示，电路板中集中有依次电连接的匹配电路、放大电路和滤波电路。

由于匹配、放大、滤波电路集成在顶部的屏蔽盒中，从而能够减小工作时屏蔽天线辐射体的近电磁场以及外界信号的干扰，提升信噪比，进一步，屏蔽盒放置在天线顶部的玻璃钢防水盒中，并由玻璃钢防水盒对屏蔽盒进行密封。

另外，本发明中单极子鞭状天线、屏蔽盒、交叉环天线和底座能相互拆分，属于可拆分式结构，天线、屏蔽盒及底座）采用了强度高、重量轻、耐腐材料，能更好地适应恶劣环境，安装维修更为方便。

如图2所示，交叉环天线包括两个交叉放置的环天线。

每个环天线均包括顶部水平阵子31、底部水平阵子32和两个螺旋臂33。每个环天线的材料均优选为铜。

底座和玻璃钢防水盒间优选由支撑杆4固定，支撑杆4材料为铝，增强整个天线结构的稳定性。两个环天线的底部水平阵子均呈水平状态，且交叉安装在底座5顶部，底座用于固定和支撑天线，底座内优选安装了避雷器，增强了天线的抗雷击能力，天线整体强度高，防外界信号干扰，防雷击，防盐雾腐蚀性好，使用寿命长。

两个环天线的顶部水平阵子均呈水平状态，每个顶部水平阵子均具有开口，且开口两端均接入匹配电路。

进一步，两个环天线均垂直于地面， 同时，两个环天线中的顶部水平阵子或底部水平阵子相互垂直。

所有螺旋臂均呈竖直状态，螺旋臂用于连接对应环天线中的顶部水平阵子和底部水平阵子，构成环天线的环形回路。

每个螺旋臂均包括塑料支撑棒和缠绕在塑料支撑棒上的若干匝螺旋环。

每根塑料支撑棒两端分别安装在对应的顶部水平阵子和底部水平阵子上。优选安装方式为：塑料支撑棒优选采用螺钉固定在环天线的顶部水平阵子和底部水平阵子上，螺钉采用不锈钢材料，安装时，在螺钉的螺纹上优选涂覆有厌氧胶等。

上述塑料支撑棒上优选刻有螺旋凹痕，便于固定若干匝螺旋环。工程塑料棒同时起到支撑固定的作用，本发明使用工程塑料为介质固定若干匝螺旋环的螺旋金属导线，未使用铁氧体等磁性材料加载，减小了磁性天线因铁氧体材料磁性衰减及海边潮湿环境对天线的影响，同时保证了如图4所示的天线水平面方向图，可用于地波雷达测向、测流功能。

环天线的大小为电小尺寸，小于谐振波长的十分之一，占地面积仅0.25平方米，属于电小天线，电小天线输入阻抗极小，难以匹配，针对天线辐射体与后端电路的匹配问题，将交叉环天线两边的双臂替换成饶有不同半径、匝数、间距的螺旋臂，螺旋臂的绕线匝数为几到几十不等，螺旋环的直径为几毫米到十几厘米不等，表面覆盖一层塑料保护层，根据不同使用频率，提升环天线原本极小的输入阻抗，配合后端匹配网络实现与较大阻抗后端的阻抗匹配。

上述匹配电路，也称匹配网路，匹配电路由变容二极管提供谐振电容，环天线中的螺旋臂提供谐振电感。

两个交叉放置的交叉环天线中，每个环天线配备单独的匹配、放大、滤波电路，单个环天线接收到的信号从顶部水平阵子中间开口的两端由两根导线进入匹配电路，单个环天线的两路信号经变压器进行平衡非平衡转换后转为一路并进行阻抗变换，与阻抗为50欧姆的放大电路及滤波电路相匹配。

其中，放大电路由集成的低噪声放大器及外围电路组成，可实现对不同频率的接收信号进行放大，能提供30dB的增益，提高了天线的等效高度，提升了天线性能。

最后由滤波电路中的七阶带通滤波器对放大后的信号进行带通滤波，七阶带通滤波器由集总元件提供电感和电容，可以滤出所需要频率的电磁波，减小不需要电磁波的干扰，提升信号的质量。也即，七阶带通滤波器中的集总电感和集总电容能在通带外提供60dB以上的抑制，带内损耗仅零点几个dB，可以有效滤出带外杂波信号，提升信号的信噪比。

本发明通过对螺旋环的匝数、直径、间距、导线半径的调整，从而产生不同的电容和电感，提升环天线的输入阻抗，减小匹配难度，同时减小失配损耗。

本发明中具有螺旋臂的交叉环天线与现有技术中的常规环天线在失配损耗方面的对比实施例如下。

1、常规环天线的失配损耗

工程上需将天线匹配到同放大、滤波电路以及后续信号处理模块相同的阻抗50欧姆，保证信号完整的传递到后端，而对电小天线本身极小的输入阻抗不仅比较困难，而且越小的输入阻抗，对匹配元器件精度要求越高，匹配元器件的误差就会对匹配结果产生巨大影响，需要提升天线的输入阻抗以此来把元器件误差控制在可接受范围内。长400mm，宽400mm的常规铜环天线的输入阻抗实部0.25欧，虚部104欧，匹配时在天线上并联142.1pF电容，串联11pF电容可达50欧姆最佳阻抗匹配，然而工程应用中电容的实际值不可能和标称值相等，电容实际值在百分之五误差内就已经很好了，虽然可对元器件进行使用前的仔细筛选，但考虑工程中的鲁棒性，当11pF存在百分之十误差时，有64%的信号因失配而损耗, 142pF存在百分之二误差，90%的信号因失配而损耗。

2、本发明中具有螺旋臂的交叉环天线的失配损耗

本发明中环天线两侧的螺旋臂均优选采用40匝的螺旋线圈，输入阻抗实部1.4欧，虚部213欧，天线用62pF电容并联，12.5pF电容串联时达到50欧姆最佳匹配，12.5pF电容误差百分之十时只有30%的信号因失配而损耗，62pF误差百分之二时有45%信号因失配而损耗。对线圈大小、匝数、线圈间距、导线半径的调整，提高螺旋环天线的输入阻抗，减小匹配的难度，同时可进一步减小因元器件性能误差导致的失配损耗。工程中天线的效率由辐射效率和端口匹配损耗共同决定，提升了端口匹配能力，就可以提升天线的效率，提升雷达的观测能力。

本发明中单个环天线在水平方向的辐射性能方向图如图4所示，从图中可以看出，本发明采用螺旋加载的环天线不仅易于匹配，且依然保持完好的8字形辐射性能，天线方向图中的零陷很深，方向性较好，测流、测向能力卓越，可用于地波雷达的工程实际应用中。

由上述可知,本发明充分考虑工程应用中对地波雷达接收天线小型化、结构简易、天线金属辐射体与后端电路易于匹配的工程实际要求，提出了一种易于匹配的便携式地波雷达接收天线,占地面积仅0.25平方米，能够保持小型化,易于匹配,并对接收到的信号进行放大、滤波，可直接进行信号处理的优点。采用本发明,可实现便携式地波雷达中的接收天线。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：包括单极子鞭状天线、屏蔽盒、交叉环天线和底座；

单极子鞭状天线底部设置在屏蔽盒上，屏蔽盒中内置电路板，电路板中集中有依次电连接的匹配电路、放大电路和滤波电路；

交叉环天线包括两个交叉放置的环天线，每个环天线均包括顶部水平阵子、底部水平阵子和两个螺旋臂；两个环天线的底部水平阵子均呈水平状态，且交叉安装在底座顶部；

两个环天线的顶部水平阵子均呈水平状态，每个顶部水平阵子均具有开口，且开口两端均接入匹配电路；

所有螺旋臂均呈竖直状态，螺旋臂用于连接对应环天线中的顶部水平阵子和底部水平阵子；每个螺旋臂均包括塑料支撑棒和缠绕在塑料支撑棒上的若干匝螺旋环；

通过对螺旋环的匝数、直径、间距、导线半径的调整，从而产生不同的电容和电感，提升环天线的输入阻抗，减小匹配难度，同时减小失配损耗。

2.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：每个环天线的大小均为电小天线。

3.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：每匝螺旋环的表面均覆盖有一层塑料保护层。

4.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：屏蔽盒内置在玻璃钢防水盒中，单极子鞭状天线底部设置在玻璃钢防水盒上，玻璃钢防水盒底部安装在顶部水平阵子上。

5.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：每根塑料支撑棒两端分别安装在对应的顶部水平阵子和底部水平阵子上。

6.根据权利要求5所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：塑料支撑棒采用螺钉固定在环天线的顶部水平阵子和底部水平阵子上，螺钉采用不锈钢材料，安装时，在螺钉的螺纹上涂覆有厌氧胶。

7.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：两个环天线均垂直于地面， 两个环天线中的顶部水平阵子或底部水平阵子相互垂直。

8.根据权利要求1所述的便携式高频地波雷达接收天线，其特征在于：匹配电路由变容二极管提供谐振电容，环天线中的螺旋臂提供谐振电感，由集成在电路板中的变压器完成平衡非平衡转换并进行阻抗变换，与阻抗为50欧姆的放大电路及滤波电路相匹配，放大电路提供30dB的增益，滤波电路提供七阶带通滤波。