CN201408843Y - 便携式高频探海雷达的紧凑接收天线 - Google Patents

Abstract

一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，由一根垂直的单极子和水平面内两个正交的有源铁氧体环天线组成，其中环天线放大器是以具有50欧姆输入阻抗的混合器HJ和宽带低噪声高增益芯片IC为核心组成的类似于推挽放大电路的带通放大器；三个天线单元相互正交且具有共同的相位中心，其输出在雷达接收机中经过特定的信号处理合成心形波束，从而方便地实现雷达探测方位扫描，这种天线结构更加紧凑轻便，实际上与天线支杆融为一体，在保障天线基本性能的同时，降低了天线成本，增加了天线抗风能力。

Description

便携式高频探海雷达的紧凑接收天线

技术领域

本实用新型涉及一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，具体地说，涉及一种由一个单极子和两个正交的有源铁氧体环天线组成的用于高频探海雷达的接收天线。

背景技术

用于探测海洋表面流、海浪和风场的高频雷达，为了实现雷达波束方位扫描，往往采用相控阵天线。为了增大探测距离，这种雷达的工作频率很低，一般为几兆赫兹到十几兆赫兹，天线阵长一般达几百米甚至上千米。如加拿大研制的高频地波雷达GWR(IEEEJ.O.E.，Vol.19，No.4,540,1994.)建设在海边1,500米的狭长地带上，接收天线为40元振子，阵长800米；发射天线为对数周期天线，主塔高40米，距离接收天线阵中心800米。国内武汉大学早期研制的相控阵高频地波雷达，天线阵长也有120米。高频雷达的这种阵列天线造价高，占地面积大，而在海边很难找到可提供建造这种雷达天线场的合适地带，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U.S.Pat.No.4172255为近岸海洋动力学应用雷达(CODAR)发明了一种交叉环/单极子(crossed-loops/monopole)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，适合高频探海雷达，但美国的这种交叉环/单极子天线因为采用了4根两米长的水平接地鞭，仍然显得笨重。国内武汉大学前几年获得的实用新型专利雷达接收天线(ZL03254833.8)，天线采用了高输入阻抗的低噪声宽带跨导放大器IC为核心组成的带通放大器，但同样使用了4根水平地鞭，不够简便。实用中，发现这种紧凑的高频探海雷达接收天线可以进一步简化。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种适用于便携式高频探海雷达的更为紧凑轻便的单极子/正交有源环天线，其采用了新的电路和整体结构，特别是革除了4根2米长水平地鞭，使高频探海雷达接收天线更为紧凑轻便，实际上与天线支杆融为一体，在保障天线基本性能的同时，降低了天线成本，增加了天线抗风能力。

本实用型的技术方案是：一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，由下列部件组成，其连接关系是：

一天线底座板(DZ)，其上垂直装设四支架(ZJ)，该等支架(ZJ)上水平固定一电路板(DLB)，该电路板(DLB)正面装设两个水平正交的环天线(AA)、环天线(BB)及单极子插座，其反面装设天线放大器(G)中除环天线(AA)、环天线(BB)以外的所有电路，一单极子(C)垂直装设于一防水盒(FSH)顶部中心，当防水盒(FSH)罩上天线底座板(DZ)时，单极子(C)底部插入电路板(DLB)中心的单极子插座，该天线放大器(G)主要由串联谐振电路(LC)、混合器(HJ)、放大器(IC)、抗共模干扰装置(KGM)组成。

每个环天线均由铁氧体天线线圈与调谐可变电容接成串联谐振电路(LC)，且与50欧姆输入阻抗的混合器(HJ)的两个输入端口相接，该混合器(HJ)的另外两个端口，一个接有匹配电阻，另一个引出信号至放大器(IC)输入端，单极子(C)底座还并联接有电涌放电器(BL)，经过抗共模干扰装置(KGM)与单极子(C)输出电缆接头C相接。

所述环天线(AA)、环天线(BB)为对称绕在两组共轴的短波铁氧体磁棒上的环天线、混合器(HJ)、前置放大器一体化的设计。

所述单极子(C)和环天线(AA)、环天线(BB)的输出通过抗共模干扰扼流圈(KGM)，分别与放大器(IC)的直流电源“多路复用”三个(TNC)电缆插头相接，后者通过50欧姆电缆连到三通道接收机。

该单极子/正交有源环天线由一根长为2米的垂直的单极子(C)和水平面内相互正交的环天线(AA)、环天线(BB)组成，三个天线单元均为电小天线，且每个环天线对称地绕在两组共轴的磁棒(CB)上，环线圈绕组总长l远小于雷达波长λ。

所述混合器(HJ)与其前面的串联谐振电路(LC)，以及后面的放大器(IC)匹配耦合，放大器增益可通过改变偏置电阻(R4)，使其输出电平与单极子(C)输出电平相当。

所述环天线(AA)、环天线(BB)分别由相同的两半组成，且每个环天线的两半在中间隔开，其中心装设有单极子(C)，其绕制方法为沿磁棒轴线正、反方向上来回间绕相同圈数串联。

该防水盒(FSH)为一圆形玻璃钢防水盒(FSH)，其顶部内壁微微突起成锥形，以防止盒内温度骤将时冷凝水直接滴落在天线电路板上。

附图说明

图1是本实用新型实施例的组成图；

图2是图1中天线放大器的组成框图；

图3是图1中天线放大器的电原理图；

图4是图1中天线放大器合成信号心形波束扫描方案图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1至图4中的标记说明如下：

DZ-天线底座板，一块圆形的合金铝板；

ZJ-支架，4块直立的合金铝支架，固定印刷电路板；

DLB-电路板，一种水平双面印刷电路板；

AA、BB-环天线；

G-天线放大器；

C-单极子；

FGH-防水盒，一种特制的圆形高强度玻璃钢防水盒；

LC-串联谐振电路；

HJ-混合器；

IC-放大器，一种宽带低噪声高增益放大器；

KGM-抗共模干扰装置；

CB-磁棒，正交的两组铁氧体棒；

R4-偏置电阻；

C0、C1、C2-电容，C0为可变电容，C1、C2为串联耦合电容；

GDK-固定孔，防水盒下端的4个固定孔；

CBJ-磁棒架，共5个，中间为方形；

LK-螺孔，4个螺孔固定防水盒；

A1、A2-环天线输出端；

M-电涌放电器；

φ-水平面方位角；

如图1所示，本实用新型由下列部件组成，其连接关系是：

在天线底座板DZ上，安装有三个TNC接收电缆接头和四块直立的支架ZJ，该等支架ZJ上安装一电路板DLB；该电路板DLB正面安装有环天线AA、环天线BB以及单极子插座，且该等环天线均为铁氧体环天线，电路板DLB反面安装有天线放大器G(如图3)中除环天线AA和环天线BB以外的所有电路，且电路板DLB通过固定螺丝与支架ZJ以及天线底座板DZ良好接地。防水盒FSH顶部中心安装有单极子C，其底端插入电路板DLB中心的单极子插头，防水盒FSH底部还设有四个固定孔GDK，天线底座板DZ外缘对应设有四个螺钉孔LDK，四个螺钉分别通过每一固定孔GDK固定在每一螺钉孔LDK内。该防水盒FSH由一种特制的圆形高强度玻璃钢制成，其顶部内壁微成锥体，不仅增加了防水盒的强度，而且还能防止盒内温度骤降时冷凝水直接滴落在天线电路板上。

环天线AA和环天线BB分别由两组长为l、直径为2a的短波棒CB上的两半组成，它们用磁棒架CBJ固定在电路板DLB的正面。环天线AA与环天线BB正交，每个环天线的两半之间留一适当空隙，在该空隙中心与环天线AA和环天线BB垂直安装高为h(2米)的单极子C，使得环天线AA、环天线BB、单极子C三个天线相互正交且具有共同的相位中心。单极子C为电小天线，其高h远小于雷达工作波长λ，输出端接有电涌放电器M。

上述两个环天线AA、BB分别由相同的两半组成，为了提高环天线的Q值，各用直径为2b的高强度漆包线在每组磁棒上来回间绕N/2圈，线圈绕制方向使得两半线圈在a1、a2端串接后输出端A1-A2的信号相加；总圈数N由线圈输入电阻达到50Ω左右确定。

上述环天线AA、BB线圈如图1所示沿磁棒轴线在正、反方向上来回间绕相同圈数，这种特殊的绕制方法使环天线AA、BB只对入射电波的磁场分量敏感，而对电波的电场分量不敏感，即环天线AA、BB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AA、BB“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。特别是在共站雷达系统中，由于如此绕制的环天线的这种对电场的屏蔽特性，有源环天线放大器有可能免除“压地波”技术的复杂结构。

本实用新型通过天线底座板DZ上的接头固定在直立的4米高天线杆上，由于革除了先前的四根2米长水平地鞭，实际上与支杆融为一体，不仅降低了天线成本，还极大地提高了接收天线的抗风能力。

如图2和图3所示，天线放大器G包括串联谐振电路LC、混合器HJ、放大器IC、抗共模干扰装置KGM，其连接关系是：

环天线AA、环天线BB由绕在两组高频铁氧体棒上的L1、L2串联而成，与外接可变电容C0及串联耦合电容C1、C2形成串联谐振电路LC(C1C2容量很大，实际上对调谐没有影响)，其频带宽度覆盖雷达1MHz左右工作带宽；串联谐振电路LC通过混合器HJ与放大器IC的输入端相接，其特性类似于传统的推挽放大器，天线放大器G的增益可通过改变IC的直流偏置电阻R4调整。

抗共模干扰装置KGM采用三根等长度的相同型号电缆共同绕在一组高频磁环上，分别串接在三个天线放大器G的输出端，采用同型号等长度电缆绕制抗共模干扰装置KGM避免了三个天线输出的附加相移。

由接收机送来的直流电源分别与环天线放大器G输出信号和单极子C输出信号“多路复用”三个TNC电缆插头。

请参照图4，本实用新型的三个天线输出信号在接收机处理中进一步用软件校正其幅度和相位，使三个信号达到平衡。若取环天线A轴向(环平面法线方向)为水平面方位角φ的参考方向，因垂直的单极子C在水平面内的方向性图是个圆(无方向性)，设其在垂直极化的入射波作用下输出电平为S(φ)，则环天线A输出为sinφS(φ)，环天线B输出为cosφS(φ)。

按照美国CODAR信号处理方法，信号处理软件将A环输出乘以sinψ，环天线B输出乘以cosψ后，与单极子C输出相加，三者之和即合成的接收机输出信号电压为

$(1+\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ})S\left(\mathrm{\φ}\right)=(1+\cos (\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ}))S\left(\mathrm{\φ}\right)$

$=2{\cos }^2\left[\frac{(\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})}{2}\right]S\left(\mathrm{\φ}\right)$

接收信号功率则正比于上式的平方，即

$4{\cos }^4\left[\frac{(\mathrm{\ψ}-\mathrm{\φ})}{2}\right]S^2\left(\mathrm{\φ}\right)$

这就得到心形波束，改变参数ψ就实现了雷达天线的方位角扫描。

综上所述，本实用新型便携式高频探海雷达的紧凑接收天线的有益效果为：

①本实用新型天线结构更加紧凑轻便，与天线支杆融为一体，增加了抗风能力，占地面积小，架设与维护更加方便；

②环天线放大装置采用轻巧的混合器HJ(例如具有8个引出脚的混合器HH-109)和高性价比的宽带低噪声高增益芯片IC(例如微波集成电路IN2-02184)为核心的放大器，电路简单，调试方便，成本低廉。

③采用特制玻璃钢材料的防水盒强度高，防冷凝水、防紫外辐射、防盐雾腐蚀性能好，使用寿命长，特制的圆形高强度玻璃钢防水盒顶部内壁微成锥体，不仅增加了防水盒的强度，而且还能防止盒内温度骤降时冷凝水直接滴落在天线电路板上。

Claims (8)

1、一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于，由下列部件组成，其连接关系是：

一天线底座板(DZ)，其上垂直装设四支架(ZJ)，该等支架(ZJ)上水平固定一电路板(DLB)，该电路板(DLB)正面装设两个水平正交的环天线(AA)、环天线(BB)及单极子插座，其反面装设天线放大器(G)中除环天线(AA)、环天线(BB)以外的所有电路，一单极子(C)垂直装设于一防水盒(FSH)顶部中心，当防水盒(FSH)罩上天线底座板(DZ)时，单极子(C)底部插入电路板(DLB)中心的单极子插座，该天线放大器(G)主要由串联谐振电路(LC)、混合器(HJ)、放大器(IC)、抗共模干扰装置(KGM)组成。

2、如权利要求1所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：每个环天线均由铁氧体天线线圈与调谐可变电容接成串联谐振电路(LC)，且与50欧姆输入阻抗的混合器(HJ)的两个输入端口相接，该混合器(HJ)的另外两个端口，一个接有匹配电阻，另一个引出信号至放大器(IC)输入端，单极子(C)底座还并联接有电涌放电器(BL)，经过抗共模干扰装置(KGM)与单极子(C)输出电缆接头C相接。

3、如权利要求1所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：所述环天线(AA)、环天线(BB)为对称绕在两组共轴的短波铁氧体磁棒上的环天线、混合器(HJ)、前置放大器一体化的设计。

4、如权利要求1所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：所述单极子(C)和环天线(AA)、环天线(BB)的输出通过抗共模干扰扼流圈(KGM)，分别与放大器(IC)的直流电源“多路复用”三个(TNC)电缆插头相接，后者通过50欧姆电缆连到三通道接收机。

5、如权利要求1所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：该单极子/正交有源环天线由一根长为2米的垂直的单极子(C)和水平面内相互正交的环天线(AA)、环天线(BB)组成，三个天线单元均为电小天线，且每个环天线对称地绕在两组共轴的磁棒(CB)上，环线圈绕组总长l远小于雷达波长λ。

6、如权利要求5所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：所述混合器(HJ)与其前面的串联谐振电路(LC)，以及后面的放大器(IC)匹配耦合，放大器增益可通过改变偏置电阻(R4)，使其输出电平与单极子(C)输出电平相当。

7、如权利要求5所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：所述环天线(AA)、环天线(BB)分别由相同的两半组成，且每个环天线的两半在中间隔开，其中心装设有单极子(C)，其绕制方法为沿磁棒轴线正、反方向上来回间绕相同圈数串联。

8、如权利要求1所述的一种便携式高频探海雷达的紧凑接收天线，其特征在于：该防水盒(FSH)为一圆形玻璃钢防水盒(FSH)，其顶部内壁微微突起成锥形。

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