CN113359092B - 高频雷达小型化宽频磁接收模块及其阵元与方法 - Google Patents

Abstract

高频雷达小型化宽频磁接收模块及其阵元与方法，包括磁信号模块、阻抗变换单元、相位和幅度调整单元和直流电源；模块包括长方形介质填充体，该介质填充体内设有多个贯穿一组对面的磁性材料的填充区，填充区内填充有磁性材料；并有线圈以环绕填充区的方式缠绕在所述介质填充体上。阵元包含一个或多个导磁率不同的磁信号接收模块，以及信号合成模块。方法包括使各磁信号接收模块接收信号的方向图的零点一致；调整相位和幅度调整单元的相位和幅度；对各磁信号接收模块所接收的信号进行合成。本发明用较少的接收模块构成超宽带接收阵元，并保证阵元输出的幅频和相频特性平缓，阵元一致性易于实现。具有很深的零点方向性，从而提高了天线的纯磁性能。

Description

高频雷达小型化宽频磁接收模块及其阵元与方法

技术领域

本发明涉及宽带接收阵元及信号合成方法，特别涉及一种高频雷达小型化宽频磁接收模块及其阵元与方法，属于天线技术领域。

背景技术

高频雷达工作于高频频段，能够实现海面目标和海洋动力环境参数的遥感遥测，具有非常广阔的应用前景。该雷达系统既可陆基布设也可舰载，收发阵列可共用，也可独立或分置；工作频带可窄可宽，信号体制多样。在高频雷达接收天线及其阵列的超宽带设计方面的相关研究和应用方兴未艾。

接收阵元及其更加基础的信号接收模块在高频雷达各部分中是最基本的组成单元，也是系统构建很重要的一环。可以有三种形态：电天线、磁天线和电磁复合天线。电天线在接收沿海（地）表面传播的垂直极化高频电磁波信号时，不仅自身垂直高度要“高”，来满足与波长相当的要求，而且天线架设的高度也要尽可能“高”，以满足沿地表接收信号最佳的要求。显然，在舰载平台上很难满足“双高”要求，而且舰船上的各种桅杆、金属构建物常与电天线平行，也会对信号的接收形成干扰。尤其对所接收信号相位的影响不能小觑，这对于高度依赖“相位信息”的高频雷达系统正常工作产生严重的阻碍。

相比较而言，若采用磁性天线就没有了“双高”问题。但是，磁天线的设计难度同样不容小视。首先，磁性天线通常工作在窄带，所以要解决宽带接收问题，不仅总的工作带宽要“宽”——从3MHz到15MHz，而且瞬时带宽要“宽”，即1dB带宽通常要在200KHz。采用分频段接收，再把接收的信号做合成构成宽带接收是当前努力的方向，但如何保证用尽可能少的分段信号接收模块构成宽带接收的阵元，以及保证各接收阵元幅度和相位随频率变化的一致性是十分突出的难题。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种高频雷达小型化宽频磁接收模块及其阵元，利用尽量少的接收模块构成宽频的磁接收阵元，以达到接收阵元有效小型化的目的。

本发明的另一目的是提供一种调整接收阵元幅度和相位随频率变化的方法，以满足磁接收阵元组阵时对幅度和相位随频率变化的一致性要求。

一种高频雷达小型化宽频磁信号接收模块，其特征是包括磁信号模块、阻抗变换单元、相位和幅度调整单元和直流电源；

所述磁信号模块包括长方形介质填充体，该介质填充体内设有多个贯穿一组对面的磁性材料的填充区，填充区内填充有磁性材料；并有线圈以环绕填充区的方式缠绕在所述介质填充体上；

所述磁信号模块线圈的输出是阻抗变换单元的输入，阻抗变换单元的输出端连接相位和幅度调整单元；还有相互并联的可变电容和可变电阻设置在线圈的输出端与阻抗变换单元之间。

所述填充区分别填充相同或不同导磁率的磁性介质材料。

所述磁性介质材料的相对导磁率在[20,200]范围内。

所述介质填充体内设有四个填充不同磁性介质材料的填充区，四个填充区的磁性介质材料的相对导磁率分别为20、50、100、200。

制作线圈的线为单股铜线。相比多股铜线，工作带宽得到进一步展宽，而且具有防腐蚀力，可靠性得到进一步提高。

一种高频雷达小型化宽频磁接收阵元，其特征是包含一个或多个导磁率不同的磁信号接收模块，以及信号合成模块；

各个磁信号接收装置的相位和幅度调整单元输出端与信号合成模块相连；在相位和幅度调整单元中，相位的调整作用是展宽合成各个磁信号接收模块输出的信号，从而用较少的磁信号接收模块构成宽带接收的阵元；而幅度调整作用是使各个磁信号接收模块输出的信号幅频特性变化进一步平缓。磁信号接收模块的模块化设计，降低了阵元的复杂度，提升了阵元一致性调整的能力。

相位和幅度调整单元由有源宽频阻容相移电路构成，通过调整电路中对应的电阻值实现宽频信号的移相和幅度调整。有源宽频阻容相移电路包含高速低噪声运放及阻容元件。调整电阻改变带宽，调整电容改变中心点频率，增强了设计的灵活性。

高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是包括以下步骤：

a、对各磁信号接收模块进行配置，使各磁信号接收模块接收信号的方向图的零点一致；

b、通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元中的方式，以调整相位和幅度调整单元的相位和幅度，使得宽频磁接收阵元的输出与预设的幅频和相频一致；

c、信号合成模块对各磁信号接收模块所接收的信号进行合成。

所述步骤a中，通过调整线圈的方式对各磁信号接收模块进行配置，其中，圈数增多，工作频率变低，使带宽变宽；圈数减少，工作频率升高，使带宽变窄；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高，使带宽变窄；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，使带宽变窄。

所述步骤b中，通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元中的电阻的方式，以调整相位和幅度调整单元的相位和幅度。

所述步骤c对各磁信号接收模块接收的信号进行合成有两种形式：

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，经过一个运算放大器把各路信号合成输出；

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，通过一个超宽频段的铁氧体环，用线圈的方法来进行合成。

采用本发明的设计方案，各磁信号接收模块放置时，在减少空间的同时，还可以避免模块间相互的影响。各个磁信号接收模块的方向图经宽频磁接收阵元合成并输出之后，仍然保持具有很深的零点方向性，从而提高了天线的纯磁性能。

本发明的这种设计，使得阵元为长方体，相对于圆柱体更容易在船载平台上安装；四个填充区填充不同的磁性介质材料更有利于接收模块所在的工作频段设计。且填充区的位置不限，只要与一组相对的面垂直即可。

填充区中的这些导磁率材料可以构成整个短波频率段内均能够较好的接收远场信号的磁性天线的磁性填充材料。相对导磁率越高，越利于接收低频段的信号，相对导磁率越低，越利于接收高频段的信号。因此，所填充的不同磁性介质材料的相对导磁率差别越大，其工作的带宽会越宽。

本发明用较少的接收模块构成超宽带接收阵元，并保证阵元输出的幅频和相频特性平缓，阵元一致性易于实现。本发明中的磁性接收模块是可调整的，可以根据雷达工作频段要求，调整模块中的磁性填充材料的规格、线圈的匝数和间距、线圈在磁性介质填充体上的位置及线的粗细，和改变并联在线圈上的电容、电阻值等，满足雷达对接收带宽的要求。

附图说明

图1是本发明的单个接收模块结构示意图。

图2是本发明的接收阵元结构示意图。

图3是本发明的相位和幅度调整单元结构图。

图4是本发明的移相展宽合成输出带宽示意图。

图5是本发明的基于运算放大器的磁性阵元信号合成示意图。

图6是本发明的基于超高频磁环的磁性阵元信号合成示意图。

其中，1、介质填充体，2、填充区，3、线圈，4、阻抗变换单元，5、相位和幅度调整单元，6、可变电容， 7、可变电阻，8、直流电源，9、信号合成模块。

具体实施方式

如图1所示，一种高频雷达小型化宽频磁信号接收模块，其特征是包括磁信号模块、阻抗变换单元4、相位和幅度调整单元5和直流电源8；

所述磁信号模块包括长方形介质填充体1，该介质填充体1内设有多个贯穿一组对面的磁性材料的填充区2，填充区2内填充有磁性材料；并有线圈3以环绕填充区2的方式缠绕在所述介质填充体1上；

所述磁信号模块线圈3的输出是阻抗变换单元4的输入，阻抗变换单元4的输出端连接相位和幅度调整单元5；还有相互并联的可变电容6和可变电阻7设置在线圈3的输出端与阻抗变换单元之间4。

所述填充区2分别填充相同或不同导磁率的磁性介质材料。

所述磁性介质材料的相对导磁率在[20,200]范围内。

所述介质填充体1内设有四个填充不同磁性介质材料的填充区2，四个填充区2的磁性介质材料的相对导磁率分别为20、50、100、200。

制作线圈的线为单股铜线。相比多股铜线，工作带宽得到进一步展宽，而且具有防腐蚀力，可靠性得到进一步提高。

如图1、2所示，一种高频雷达小型化宽频磁接收阵元，其特征是包含一个或多个导磁率不同的磁信号接收模块，以及信号合成模块9；

各个磁信号接收装置的相位和幅度调整单元5输出端与信号合成模块9相连；在相位和幅度调整单元中，相位的调整作用是展宽合成各个磁信号接收模块输出的信号，从而用较少的磁信号接收模块构成宽带接收的阵元；而幅度调整作用是使各个磁信号接收模块输出的信号幅频特性变化进一步平缓。磁信号接收模块的模块化设计，降低了阵元的复杂度，提升了阵元一致性调整的能力。

如图3所示，相位和幅度调整单元由有源宽频阻容相移电路构成，通过调整电路中对应的电阻值实现宽频信号的移相和幅度调整。有源宽频阻容相移电路包含高速低噪声运放及阻容元件。调整电阻改变带宽，调整电容改变中心点频率，增强了设计的灵活性。

高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是包括以下步骤：

a、对各磁信号接收模块进行配置，使各磁信号接收模块接收信号的方向图的零点一致；

b、通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元5中的方式，以调整相位和幅度调整单元5的相位和幅度，使得宽频磁接收阵元的输出与预设的幅频和相频一致；

c、信号合成模块9对各磁信号接收模块所接收的信号进行合成。

所述步骤a中，通过调整线圈的方式对各磁信号接收模块进行配置，其中，圈数增多，工作频率变低，使带宽变宽；圈数减少，工作频率升高，使带宽变窄；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高，使带宽变窄；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，使带宽变窄。

所述步骤b中，通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元5中的电阻的方式，以调整相位和幅度调整单元5的相位和幅度。

如图5、6所示，所述步骤c对各磁信号接收模块接收的信号进行合成有两种形式：

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，经过一个运算放大器把各路信号合成输出；

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，通过一个超宽频段的铁氧体环，用线圈的方法来进行合成。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

构造单个频段磁性接收模块，结构示意图如图1所示。该磁性接收模块包括可组合填充不同特性磁性材料的磁性介质填充体、线圈以及阻抗变换单元，线圈围绕在磁性介质填充体上，线圈的输出连接到阻抗变换单元输入端，阻抗变换单元的输出连接相位和幅度调整单元，相位和幅度调整单元输出是阵元信号合成模块的输入。介质填充体为长方体，长方体自身不具备导磁特性。不失一般性，其内示意有四个小圆柱体作为磁性材料的填充体，四个小圆柱体内可分别填充相同或不同特性的磁性介质材料。可选择的不同磁性介质材料相对导磁率分别为20、50、100、200。相对导磁率越高，更利于接收低频段的信号；所填充的不同磁性介质材料的相对导磁率差别越大，其工作的带宽会越宽。

线圈通过改变圈数、圈与圈之间的间距，以及在介质填充体上滑动，实现工作频率和带宽的设定。圈数增多，工作频率变低；圈数减少，工作频率升高；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，带宽相对变窄。绕制线圈的线为单股铜线，相比较多股软铜线，工作带宽得到进一步提升。绕制线圈输出端连接一个可变电阻和可变电容，通过改变可变电阻的阻值，调整接收信号的带宽；通过改变可变电容的容值，调整接收信号的中心频点，进一步增强了阵元设计时的灵活性。

阻抗变换单元由射随电路构成，实现从高阻抗到低阻抗的变换。射随电路可主要用三极管构成，例如采用高频三极管或场效应等效器件；射随电路也可以主要用运算放大器，例如采用AD8021或等效器件。可根据高频雷达工作频段及带宽要求优选射随电路，实现性能最优化。

上述磁性接收模块在不同构造参数时，产生的相应高频雷达工作频段如下：（1）当填充体尺寸为20cm（长）×20cm（宽）×40cm（高）时，四个填充的磁性介质材料相对导磁率为20、50、50、100，填充磁性材料圆口直径3cm，长15cm，线圈匝数3圈，间距3cm，阻抗匹配电路由高频2SC3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到25MHz内的频率信号。（2）当填充体尺寸为20cm（长）×20cm（宽）×40cm（高）时，四个填充的磁性介质材料相对导磁率为50、50、50、100，填充磁性材料圆口直径3cm，长15cm，线圈匝数5圈，间距3cm，阻抗匹配电路由高频2SC3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到18MHz内的频率信号。（3）当填充体尺寸为20cm（长）×20cm（宽）×40cm（高）时，四个填充的磁性介质材料相对导磁率为50、10、100、100，填充磁性材料圆口直径3cm，长15cm，线圈匝数6圈，间距3cm，阻抗匹配电路由高频2SC3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到10MHz内的频率信号。（4）当填充体尺寸为20cm（长）×20cm（宽）×40cm（高）时，四个填充的磁性介质材料相对导磁率为100、100、100、200，填充磁性材料圆口直径3cm，长15cm，线圈匝数8圈，间距2cm，阻抗匹配电路由高频2SC3356三极管构成的电路组成时，可以有效接收到4MHz内的频率信号。

配置单个磁性阵元，并实现阵元信号的合成输出。阵元如图2所示，其以4个磁信号接收模块排列构成的阵元为例，模块间的轴间距5cm，单个阵元长95cm，通过对各磁接收模块的填充材料介质、绕组匝数、间距以及并接的电容和电阻等的调整，使得阵元中各磁接收模块所接收信号最强的频率点分别为4MHz、6MHz、7MHz、10MHz。4个磁信号接收模块通过阵元信号合成模块实现合成输出。

本发明的磁性阵元信号合成模块有两种实现方式，分别基于运算放大器和基于超高频磁环。其中，基于运算放大器的磁性阵元信号合成的实现方式如图5所示。主要包括：差分运算放大器、各回路的电阻。差分运放输入的“+”端通过一个电阻接地，每个阵元的输出分别经过一个电阻再共同连接到差分运放输入的“﹣”端，该“﹣”端再经过一个电阻连接到差分运放的输出端。改变电阻大小可以调整合成信号输出的大小，阻值越大，输出越大。由于是有源器件构成的合成电路，会引入器件自身的干扰，也存在信号输出范围的限制即信号过大时输出信号会限幅失真；过大的信号冲击，还会损坏器件。

基于超高频磁环的磁性阵元信号合成的实现方式如图6所示。主要包括高频铁氧体磁环、磁环上的4个输入绕组、1个输出绕组及5个串接于输入或输出的电阻。磁环的相对导磁率大于300，宽频特性大于60MHz。每个磁信号接收模块的输出分别经过一个电阻再连接到磁环上的一个绕组上，构成了一个绕组回路。输出绕组为单独的一个，且与输入绕组不共地。输出绕组两个端子中的一个经过一个电阻后输出，另外一个端子作为阵列输出的信号地端子。改变与输入绕组相连接的电阻大小可以调整合成信号输出的大小，阻值越大，输出越小。改变与输入绕组相连接的电阻大小，可以调整合成信号中该磁信号接收模块输出的大小，阻值越大，输出越小。改变与输出绕组相连接的电阻大小，可以调整合成信号输出的阻抗。由于是无源器件构成的合成电路，不会引入器件自身的干扰，也不存在信号输出范围的限制，即信号过大时输出信号会限幅失真；过大的信号冲击，也不会损坏器件。相比较采用运放构成的阵元信号合成电路，各阻值的调整会彼此影响，需要反复调整才能获得满意的结果。

相位和幅度调整，该调整单元的结构如图3所示。通过调整R2实现对输出信号幅度的调整；通过调整R1实现对输出信号相位的调整。另外，通过R1与C的对调，可以满足更大范围的相位调整需要。相位的调整展宽了合成输出信号的带宽，从而用较少的磁信号接收模块构成宽带接收的阵元；而幅度调整使合成输出信号幅频特性变化进一步平缓。磁信号接收模块的模块化设计，降低了阵元的复杂度，提升了阵元一致性调整的能力。移相展宽合成输出，相关过程及输出带宽如图4。

其中，图4(a)表示的是两相邻频段磁信号接收模块A和B分别接收信号的幅频特性图，B模块在谐振点处接收信号幅度显著大于A模块在谐振点处所接收的信号幅度。图4(b)表示的是相邻频段磁信号接收模块A和B分别接收信号，经过幅度相位调整模块中幅度调整后的幅频特性图。通过调整，使得B模块在谐振点处接收信号幅度与A模块在谐振点处所接收的信号幅度一致。图4(c)表示的是相邻频段磁信号接收模块A和B分别接收信号，经过幅度调整而相位不调整，阵元合成输出信号的幅频特性图。在A和B模块信号谱线中间有很深的凹陷，阵元接收信号的幅频特性不平缓。图4(d)表示的是相邻频段磁信号接收模块A和B分别接收信号，经过幅度调整且模块B的相位调整90°后，阵元合成输出信号的幅频特性图。在A和B模块信号谱线中间有较小的凹陷，阵元接收信号的幅频特性较平缓。图4(e)表示的是相邻频段磁信号接收模块A和B分别接收信号，经过幅度调整而模块B的相位调整180°后，阵元合成输出信号的幅频特性图。比较图4(d)，在A和B模块信号谱线中间的凹陷更小，但带宽明显变窄，合成曲线的上升端和下降段变陡峭。因此，对各磁信号接收模块中的幅度和相位进行调整，使得作为接收的阵元能够在带宽和幅频特性要求上做最佳的调和，满足阵元接收设计的要求。

Claims (7)

1.一种高频雷达小型化宽频磁接收阵元，其特征是包含多个导磁率不同的磁信号接收模块，以及信号合成模块（9）；

各个磁信号接收装置的相位和幅度调整单元（5）输出端与信号合成模块（9）相连；在相位和幅度调整单元中，相位的调整作用是展宽合成各个磁信号接收模块输出信号的带宽；而幅度调整作用是使各个磁信号接收模块输出的信号幅频特性变化进一步平缓；所述相位和幅度调整单元（5）由有源宽频阻容相移电路构成，通过调整电路中对应的电阻值实现宽频信号的移相和幅度调整，有源宽频阻容相移电路包含高速低噪声运放及阻容元件；

所述磁信号接收模块，包括磁信号模块、阻抗变换单元（4）、相位和幅度调整单元（5）和直流电源（8）；

所述磁信号模块包括长方形介质填充体（1），该介质填充体（1）内设有多个贯穿一组对面的磁性材料的填充区（2），填充区（2）内填充有磁性材料；并有线圈（3）以环绕填充区（2）的方式缠绕在所述介质填充体（1）上；

所述磁信号模块线圈（3）的输出是阻抗变换单元（4）的输入，阻抗变换单元（4）的输出端连接相位和幅度调整单元（5）；还有相互并联的可变电容（6）和可变电阻（7）设置在线圈（3）的输出端与阻抗变换单元（4）之间；

所述填充区（2）分别填充相同或不同导磁率的磁性介质材料。

2.如权利要求1所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元，其特征是所述磁性介质材料的相对导磁率在[20,200]范围内。

3.如权利要求1所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元，其特征是所述介质填充体（1）内设有四个填充不同磁性介质材料的填充区（2），四个填充区（2）的磁性介质材料的相对导磁率分别为20、50、100、200。

4.权利要求1所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是包括以下步骤：

a、对各磁信号接收模块进行配置，使各磁信号接收模块接收信号的方向图的零点一致；

b、通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元（5）中的方式，以调整相位和幅度调整单元（5）的相位和幅度，使得宽频磁接收阵元的输出与预设的幅频和相频一致；

c、信号合成模块（9）对各磁信号接收模块所接收的信号进行合成。

5.如权利要求4所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是所述步骤a中，通过调整线圈的方式对各磁信号接收模块进行配置，其中，圈数增多，工作频率变低，使带宽变宽；圈数减少，工作频率升高，使带宽变窄；圈与圈之间的间距增加，工作频率升高，使带宽变窄；线圈越往介质填充体两端滑动，工作频率升高，使带宽变窄。

6.如权利要求4所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是所述步骤b中，通过调整各磁信号接收模块中相位和幅度调整单元（5）中的电阻的方式，以调整相位和幅度调整单元（5）的相位和幅度。

7.如权利要求4所述的高频雷达小型化宽频磁接收阵元的幅相一致调整方法，其特征是所述步骤c对各磁信号接收模块接收的信号进行合成有两种形式：

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，经过一个运算放大器把各路信号合成输出；

一种是各高频雷达小型化宽频磁接收阵元的输出，通过一个超宽频段的铁氧体环，用线圈的方法来进行合成。

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