CN1967283B - 一种用于气象雷达接收机前端的微波子系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气象雷达接收机前端的微波子系统，包括：低噪声放大器、低温传输电缆、超导带通滤波器、屏蔽盒、微型制冷机和真空密封外壳；所述的超导带通滤波器、低噪声放大器分别置于不同的屏蔽盒内，超导带通滤波器的输出端利用微波同轴连结器与低噪声放大器的输入端电连接；所述微型制冷机的冷头上放置一传热板；超导带通滤波器和低噪声放大器均安置在传热板上，上述器件均置于所述真空密封外壳内部；超导带通滤波器的输入端和低噪声放大器的输出端通过低温电缆分别与安装在真空密封外壳上的输入和输出密封微波同轴连结器电连接。本发明显著降低了系统的噪声，同时，由于使用了高温超导窄带滤波器，气象雷达的抗干扰能力成万倍的提高。

Description

一种用于气象雷达接收机前端的微波子系统

技术领域

本发明属于微波工程领域，具体的说，本发明涉及一种用于气象雷达接收机前端的微波子系统。

技术背景

气象雷达是用于探测气象目标的空间位置和状态的雷达系列。它的工作原理是向空中的气象目标(例如大气团、云、降水粒子、雪、冰晶等)间歇性的发射电磁波列，然后接收被气象目标散射回来的电磁波列，并根据回波信号的特性来确定被测气象目标的空间位置、运动速度和其它气象特性。

气象雷达测量到的主要参数是目标与雷达间的距离r、目标的方位角和仰角、目标的散射特性和目标相对雷达的径向速度。

不同种类的气象雷达探测参数各有偏重。目前，主要有云雨雷达、多普勒天气雷达、双偏振雷达、双波长雷达、多参数天气雷达、风温廓线雷达、机载天气雷达、相控阵天气雷达等类型。

雷达信号的回波由天线收集并由接收机检测，从中获取目标的信息。图2是一种超外差雷达接收机的方框图。雷达回波在经过天线、低噪声放大器、混频器之后变成中频信号，通常把从天线至混频器的微波电路部分叫做接收机前端，接收机前端中一部分微波元件组成的系统称为叫雷达微波子系统。接收机前端的优劣对雷达的性能有重要影响。下面列出了几个与接收机前端有关的概念和方程式。

雷达方程。雷达方程是用来描述雷达性能的最基本的公式。如果用R_max代表雷达最大作用距离，则雷达方程可以写为：

$R_{\max }^4=\frac{P_{+}{G}_{+}\mathrm{Ar\σ}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{S}_{\min }}---\left(2\right)$

式中P₊是雷达的辐射功率，G₊是天线的增益，Ar是天线有效接收孔径，σ是目标截面积，S_mm是接收机最小可检测信号。显然，S_min越小表示雷达越灵敏，探测的距离R_max也越大。

雷达方程中的最小可检测信号可表示为：

$S_{\min }=\mathrm{kTB}{F}_n\frac{S}{N}---\left(3\right)$

式中k为波尔兹曼常数，T是温度，B为接收机带宽，F_n为接收机噪声系数，S/N是信噪比。

噪声温度。奈奎斯特定理指出一个温度为T的电阻，将产生热噪声电压，如果加上外负载，则加至负载的有效噪声功率等于

P_n＝kT_nB                (4)

换句话说，当某一负载接受了有效热噪声功率P_n，该负载上就必有一个噪声温度T_n与之对应.如果用噪声温度来描写整个接收机输出的噪声功率，就叫做系统噪声温度.如果系统是多级传输网络，系统中任何一级都可以产生噪声，也就是说接收机各级均有各自的有效输入噪声温度T_e，那么系统的噪声温度T_s为：

$T_s=T_a+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{T_e\left(i\right)}{G_i}---\left(5\right)$

式中T_a为天线噪声温度，G_i为系统输入端与第i级输入端之间的有效增益。

我们考虑一个包括天线和低噪声放大器的前端子系统。图3是该子系统的框图，其中的噪声温度T_s由三部分组成，即天线噪声温度，传输线损耗引起的噪声温度和放大器的噪声温度。写成等式为

T_s＝T_a+T_r+L_rT_e＝T_a+T₀(L_r-1)+T₀(F_n+1)            (6)

式中T₀是网络的物理温度，L_r是传输器件的损耗系数，F_n是放大器的噪声系数。

减小噪声温度对雷达性能产生很大的影响。公式(2)表明在一定条件下雷达的最大探测距离与

成反比，而公式(3)中T₀F_n有时可用T_s代替，这样公式(3)改写成这表明雷达最小可捡测信号是随噪声温度的减小而下降的。

可见，减小系统的噪声温度就意味着提高了雷达的最大探测距离。减少噪声温度可以提高雷达的信噪比，从而改善了雷达接收机接收信号的质量。减少噪声提高了雷达的精度。减少噪声提高了雷达的分辨率。

近年来超导无源器件的研究工作取得了长足的进步，研制成具有不同特性的超导无源器件如超导天线、超导滤波器、超导振荡器以及小型制冷机，这些成就为超导接收机前端的研制工作奠定了基础。通常根据自身的条件和实际和需要，我们往住只将超导滤波器和低噪声放大器共置于制冷机内，组成高温超导微波子系统。这种新颖的子系统能显著地提高接收机的性能。

高温超导微波子系统的优势在于子系统的各器件都处在低温工作环境中，即公式(6)中的T₀小，另一方面在低温下放大器的噪声系数F_n也明显下降，超导滤波器的损耗L_r也很小，故子系统的噪声温度大大下降了。由此带来的直接利益是雷达系统的灵敏度得到提升。

超导滤波器比常规滤波器有明显的优势，概括地讲主要是带内插损小、带外抑制好、边带陡峭。也就是说这种器件的忧势在于抗干扰能力强。超导滤波器还有一个值得一提的优点是它可以制成通带很窄的器件，这是常规滤波器不可能做到的，它表明超导微波子系统具有很好讨选择性。

气象雷达要求滤波器具有很窄的通带，这是常规滤波器根本做不到的，所以常规气象雷达不得不在前端取消滤波环节，从而大大地削弱了雷达的抗干扰能力。另外，由于大气对电磁波的反射能力差，因此气象雷达要求雷达具有较高的灵敏度。而这两方面正是超导微波子系统的所长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低噪声温度、高信噪比、高抗干扰能力的微波子系统，用于气象雷达接收机前端。

为达到上述发明目的，本发明提供的用于气象雷达接收机前端的微波子系统(如图4及图5所示)，包括：低噪声放大器2、低温传输电缆；其特征在于，还包括超导带通滤波器1、微型制冷机3和真空密封外壳8；所述微型制冷机3的冷头7上放置一传热板9；分别置于不同屏蔽盒内的超导带通滤波器1和低噪声放大器2均安置在传热板9上；所述超导带通滤波器1的输出端利用微波同轴连结器与低噪声放大器2的输入端电连接；所述超导带通滤波器1、低噪声放大器2、传热板9和微型制冷机3的冷头7置于所述真空密封外壳8内部；超导带通滤波器1的输入端和低噪声放大器2的输出端通过低温电缆分别与安装在真空密封外壳8上的输入和输出密封微波同轴连结器电连接；所述超导带通滤波器1是超导双面膜经光刻、干法刻蚀、切割工艺制作；该超导带通滤波器是一种平面微带结构，它是由N个平面谐振器组成的多级带通窄带滤波器，其中N为整数，2≤N≤40，该超导带通滤波器1带内插损小于0.2dB，带外抑制小于-60dB，过渡带陡度大于100dB/MHz，相对带宽小于1％.

在上述技术方案中，所述超导滤波器放置在专用屏蔽盒内，该屏蔽盒包括盒盖11，底座12，托架13，弹性垫片14；所述底座的底面开有安装螺钉的螺孔15，侧壁上方开有固定盒盖的固定孔16，左右两侧开有可安装微波接头的阶梯孔17；所述的托架13为一块带有定位孔18的钛金属板，通过螺钉19将托架用螺母110固定在底座12内，并在螺母110与托架之间垫有弹性垫片14；所述的盒盖11开有安装孔111，通过螺钉17将盒盖11固定在底座上，并在螺钉17与盒盖11之间垫有弹性垫片14。

在上述技术方案中，真空密封外壳8的内壁上焊接一个圆环形片状托架10，在该托架10上固定一个介质纤维板或氧化铝陶瓷附铜板10a，在附铜板10a上刻蚀出直流引线，该直流引线一端连接低噪声放大器2的电源接头，另一端连接安装在真空密封外壳8上的密封电源连接器。

在上述技术方案中，所述真空密封外壳8内的冷头温度小于77K，真空密封外壳8上安有抽气装置，抽气后腔内压强小于10^-3pa。

本发明的两大优点是：其一，由于本发明显著降低了系统的噪声，因而提高了系统的信噪比，使气象雷达的测量精度和信号质量得到明显改善。从另一个角度来说，如果气象雷达测距维持不变，采用本发明就可以适当减小天线口径，减少辐射功率，减轻电源负担，达到减小雷达体积，减小制作成本的目的，这些对地面气象雷达商业化是有利的，对机载气象雷达则具有特殊的意义。其二，在气象雷达的前端使用了高温超导窄带滤波器，使雷达的抗干扰能力成万倍的提高。

附图说明

图1是风温廓线雷达结构框图。

图2是超外差式雷达接收机结构框图。

图3是只含低噪声放大器的雷达前端子系统及各部分的噪声温度。

图4是高温超导气象雷达接收机前端总结构示意图。

图5是本发明中的用于气象雷达接收机前端的微波子系统结构示意图。

图6是本发明中密封外壳结构的一个剖面图。

图7是本发明中密封外壳结构的又一个剖面图。

图8是本发明中密封外壳结构的另一个剖面图。

图9是本发明中一种中心频率为1300MHz的超导滤波器的测试结果曲线图。

图10是本发明中的一种超导滤波器的平面结构示意图。

图11是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中托架的结构图。

图12a是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中盒盖的平面图。

图12b是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中盒盖的俯视图。

图13a是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中底座的平面图。

图13b是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中底座的剖面图。

图13c是本发明中的超导滤波器屏蔽盒中底座的侧视图。

图14a是本发明中的超导滤波器屏蔽盒组装图中的平面图。

图14b是本发明中的超导滤波器屏蔽盒组装图中的剖面图。

图15是本发明与边界层风温廓线雷达相配合的对比测试方框图。

具体实施方式：

实施例1风温廓线雷达接收机前端中的微波子系统

风温廓线雷达是由风廓线雷达和声发射器联合组成的系统，其结构见图1。该系统的主体部分——风廓线雷达本质上是一种脉冲多普勒雷达。本实施例是用于该雷达接收机前端中的微波子系统，该微波子系统放置在雷达的收/发开关和混频器之间。

本实施例中的微波子系统，如图4所示，包括低噪声放大器2、超导带通滤波器1、低温传输电缆和微型制冷机3(4为该微型制冷机的控制面板)；所述的超导带通滤波器1、低噪声放大器2分别置于不同的屏蔽盒内，所述超导带通滤波器1的输出端利用微波同轴连结器(SMA连接器)与低噪声放大器2的输入端电连接；所述微型制冷机3的冷头7上放置一传热板9；带有屏蔽盒的超导带通滤波器1、带有屏蔽盒的低噪声放大器2均安置在传热板9上，所述超导带通滤波器1、低噪声放大器2、传热板9和微型制冷机的冷头7均置于一真空密封外壳8形成的真空密封腔内部；超导带通滤波器1的输入端和低噪声放大器2的输出端利用低温电缆与分别与安装在真空密封外壳8上的输入和输出密封微波同轴连结器(SMA连接器)电连接。下面分别描述本发明的各个部分。

低噪声放大器要求该放大器可以在低温条件(77K)下正常工作。本实施例中采用电子部13所的AG-20-9型低噪声放大器(该产品自带屏蔽盒)，表1是厂商给出的低噪声放大器在低温下的工作参数。

f<sub>min</sub>	f<sub>max</sub>	放大倍数G	噪声系数	1dB压缩点	驻波比	电流
							0.1(G)	2(G)	38(dB)	0.25(dB)	5(dBm)	1.8∶1	100(mA)

表1

本实施例中采用的制冷机为德国Laybold公司生产的POLARSC-7型斯特林微型制冷机。

本实施例中的超导滤波器中心频率的指标为f₀＝1300MHz，带宽10MHz.该滤波器的结构如图10所示.采用八个夹形谐振器线性排列而成(这里采用的一种夹形谐振器，其外形已见于国外文献).设计工作是在Sonnet软件支持下进行的，根据要求的中心频率f₀＝1300MHz，夹形谐振器的尺寸是7×3.4mm，线宽为0.4mm，由切比雪夫函数给定的系数，通过计算机仿真可得到如图10所示的版图。以上过程属于现有的公知技术。

该超导滤波器采用以MgO为衬底的超导双面膜作为基材，各相关参数如下：介电常数ε_r＝10，临界温度T_c＞87K，临界电流j_c＞2×10⁶A/cm²，表面电阻R_s＜600mΩ。利用现有的技术和工艺，通过光刻、干法刻蚀、切割等完成制作。以上制作工艺也属于公知技术。

本发明中超导滤波器的测量是利用网络分析仪HP8510C在低温下(≤77K)进行的，超导滤波器放在制冷机的冷头上，通过电缆与外部的网络分析仪相连接。图9是该滤波器测量的结果。其中S₁₁为反射特性曲线，S₂₁为传输特性曲线，图9表明本发明中的超导滤波器反射特性小于-15dB，传输特性大于-0.3dB，均达到设计要求。

本实施例中的超导滤波器置于专用屏蔽盒内。该屏蔽盒的结构如下，

参考图11，利用一块长45mm×宽20mm×厚3.4mm金属钛板制作一托架13，机加工后镀金；其托架13的上下边上设有凸耳，凸耳之间距离相等，凸耳上开有定位孔18。超导滤波器片就固定在托架上。

参考图12a和图12b，采用黄铜制作一长61mm×宽33mm×厚3mm的屏蔽盒盖11，在盒盖11留有宽3.5mm的周边，其上下周边各开有两个安装孔111，周边的四角开有四个通孔115。除周边外其余地方高出5mm的突起116，以便盒盖11扣盖在底座12上时达到密封的效果。或者还可以用一块长61mm×宽33mm×厚3mm黄铜板制成屏蔽盒盖11，其上下周边各开有两个安装孔111，周边的四角开有四个通孔115。

参考图13a-c，采用黄铜制作一长61mm×宽33mm×高3.5mm³的屏蔽盒底座12，机加工后镀金；底座12的底面对应托架13上的定位孔18开六个上下贯通并带有螺纹的螺孔15，使用市售平头黄铜制螺钉17穿过螺孔15和托架13的定位孔18，用螺母115将托架13固定在底座12内，并且在螺母115与托架13之间垫一波纹状的弹性垫片14。在安装时处于中间的两个螺母应紧固，两侧的螺母可略松，以上措施有明显的缓冲作用。底座12的左右两侧有安装K接头的阶梯孔17，阶梯孔17由大孔113、小孔112和灌锡孔114组成，大孔113是带有螺纹的，在小孔112的上方开有一个直径为0.5mm的灌锡孔114，小孔112和灌锡孔114彼此相通，灌锡孔114是灌锡的专用孔。将K接头装入阶梯孔17并用银胶将K接头与超导滤波器输出、入引线粘结好。底座12侧面上方对应盒盖11的安装孔111和通孔115开有不贯通但有螺纹的固定孔16和贯通侧壁但无螺纹的通孔115，通孔115用于将屏蔽盒固定在冷台或振动台上。黄铜制的固定螺钉17由盒盖11的上方通过安装孔111旋入固定孔16中，将盒盖11与底座12固定在一起，并且在螺钉17与盒盖11之间垫一波纹状的弹性垫片14。这样完成一个具有抗强烈振动功能的超导滤波器屏蔽盒的组装，组装好的屏蔽盒如图14a和图14b所示。组装好的超导滤波器经过性能测试，使得各项微波技术指标达到设计指标，完成全部组装工艺。

超导滤波器对金属盒的要求是，超导基片尺寸是20×45×0.5mm³，超导基片至盒盖高度为5mm。盒内侧光洁，导电性好。

制冷机的真空密封外壳是用不锈钢制成的，它分为密封壳体和密封盖两部分。

密封壳体上装有各种密封接头，包括输入与输出密封SMA连接器，分别与超导滤波器的输入端和低噪声放大器的输出端相连；密封电源连接器，将低噪声放大器的直流电源线引出；以及制冷机控温系统密封连接器，将制冷机内的测温探头和电热装置与机外控温设备相连.

密封盖是用来维持真空、保护微波子系统、方便组装与维修的重要部件，制冷机的密封主要由密封盖和密封法兰完成的，采用一种刀口和金属密封圈设计，具有长期密封、工作可靠的特点。图8显示了这一结构，金属密封圈采用紫铜板制成，厚度为0.5mm。密封壳体上的侧壁上装有可密封抽气口，当抽气结束时(真空度≤2x10^-4Pa)，将抽气口完全密封。上述真空工艺属于公知技术。

将超导滤波器置于超导滤波器屏蔽盒内，该屏蔽盒的输出端与低噪声放大器的屏蔽盒的输入端用SMA微波转接器直接连接。超导滤波器屏蔽盒的输入端与低噪声放大器的屏蔽盒的输出端各接一个SMA微波转接器，然后分别通过低温电缆与安装在真空密封外壳上的输入与输出密封SMA连接器连接。由于冷头的直径很小，所以在冷头和滤波器与放大器之间放置一块紫铜传热板，传热板用螺钉固定在制冷机的冷头上，滤波器和放大器用螺钉固定在传热板上。

参考图5，本实施例中，在密封壳体8的内壁上焊接一个圆环形片状托架10，在该托架10上固定一个玻璃钢或陶瓷制的附铜板10a，在附铜板10a上刻蚀出直流引线，该直流引线一端连接低噪声放大器2的电源接头，另一端连接安装在真空密封外壳8上的密封电源连接器。

本发明已在航天科工集团23所研制的边界层风温廓线雷达上进行了对比试验。

图15是高温超导气象雷达前端与边界层风温廓线雷达相配合的对比测试方框图。所采用的灵敏度对比测试方法是将高温超导前端的B’、C’点接入雷达接收机前端的B、C点，并将雷达原有的收发转换开关和低噪声放大器替换下来。外来信号是由专门的信号源发出信号，通过小天线馈入雷达天线的，然后用频谱仪测量中频输出功率(D点)。系统的灵敏度是定义为中频输出信噪比等于1时的信号源的输出功率。试验结果表明，加入高温超导前端后灵敏度较原有子系统提高了4.6dB，扣除R/T开关的插入损耗(约0.8dB)，实际提高了3.8dB。

抗干扰试验中，干扰信号使用小天线馈入。试验表明高温超导系统的抗干扰能力，在3MHz分辨带宽测量结果，提高了48.4dB。

另外，值得注意的是，本实施例虽然应用于风温廓线雷达接收机前端中，但容易理解，本发明同时也可以应用于其它各种气象雷达接收机前端中。

Claims (4)

1.一种用于气象雷达接收机前端的微波子系统，包括：低噪声放大器(2)、低温传输电缆；其特征在于，还包括超导带通滤波器(1)、微型制冷机(3)和真空密封外壳(8)；所述微型制冷机(3)的冷头(7)上放置一传热板(9)；分别置于不同屏蔽盒内的超导带通滤波器(1)和低噪声放大器(2)均安置在传热板(9)上；所述超导带通滤波器(1)的输出端利用微波同轴连结器与低噪声放大器(2)的输入端电连接；所述超导带通滤波器(1)、低噪声放大器(2)、传热板(9)和微型制冷机(3)的冷头(7)置于所述真空密封外壳(8)内部；超导带通滤波器(1)的输入端通过低温电缆与安装在真空密封外壳(8)上的输入密封微波同轴连结器(6)电连接；低噪声放大器(2)的输出端通过低温电缆与安装在真空密封外壳(8)上的输出密封微波同轴连结器(5)电连接；所述超导带通滤波器(1)是超导双面膜经光刻、干法刻蚀、切割工艺制作；该超导带通滤波器是一种平面微带结构，它是由N个平面谐振器组成的多级带通窄带滤波器，其中N为整数，2≤N≤40，该超导带通滤波器(1)带内插损小于0.2dB，带外抑制小于-60dB，过渡带陡度大于100dB/MHz，相对带宽小于1％。

2.按权利要求1所述的用于气象雷达接收机前端的微波子系统，其特征在于，所述超导滤波器(1)放置在专用屏蔽盒内，该屏蔽盒包括盒盖(11)，底座(12)，托架(13)，弹性垫片(14)；所述底座的底面开有安装螺钉的螺孔(15)，侧壁上方开有固定盒盖的固定孔(16)，左右两侧开有可安装微波接头的阶梯孔(17)；所述的托架(13)为一块带有定位孔(18)的钛金属板，通过螺钉(19)将托架用螺母(110)固定在底座(12)内，并在螺母(110)与托架之间垫有弹性垫片(14)；所述的盒盖(11)开有安装孔(111)，通过螺钉(15)将盒盖(11)固定在底座上，并在螺钉(15)与盒盖(11)之间垫有弹性垫片(14)。

3.按权利要求1所述的用于气象雷达接收机前端的微波子系统，其特征在于，所述真空密封外壳(8)的内壁上焊接一个圆环形片状托架(10)，在该托架(10)上固定一个介质纤维板或氧化铝陶瓷附铜板(10a)，在附铜板(10a)上刻蚀出直流引线，该直流引线一端连接低噪声放大器(2)的电源接头，另一端连接安装在真空密封外壳(8)上的密封电源连接器。

4.按权利要求1所述的用于气象雷达接收机前端的微波子系统，其特征在于，所述真空密封外壳(8)内的冷头温度小于77K，真空密封外壳(8)上安有抽气装置，抽气后腔内压强小于10^-3pa。

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