CN201766168U - 用于高频地波雷达的收发一体化天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高频地波雷达技术领域，尤其涉及一种用于高频地波雷达的收发一体化天线。本实用新型由一根加载垂直偶极子和水平面内两个正交的有源铁氧体环天线组成，其中有源环天线放大装置以具有50欧姆输入阻抗的混合器和集成芯片组成，而加载垂直偶极子通过巴仑与馈电端口相接，巴仑和两组正交环天线组装在一个圆形玻璃钢防水盒内，该防水盒顶端和底端分别固定加载偶极子上臂与同时作为天线系统支杆主体部分的偶极子下臂。本实用新型与原来便携式高频探海雷达两根杆子组成的接收天线和发射天线比较起来，结构更加紧凑，占地面积更小；由于不需要拉绳，架设与维护更加方便，因此更受用户欢迎，使采用这种天线的便携式高频地波雷达有广阔的应用前景。

Description

用于高频地波雷达的收发一体化天线

技术领域

本实用新型涉及高频地波雷达技术领域，尤其涉及一种用于高频地波雷达的收发一体化天线。

背景技术

用于探测海洋表面流、海浪和风场的高频海态雷达，往往采用相控阵天线实现雷达波束方位扫描。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，天线阵长一般达几百米甚至几千米，例如加拿大研制的高频地波雷达GWR(参见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。这种采用庞大相控阵的雷达天线造价高，占地面积大，而在海边很难找到可提供建造这种雷达站的合适地带，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US4172255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，架设和维护十分方便，特别适合各种探测距离的海态雷达。我们之前也研制了类似的接收天线，并取得专利(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。随后我们研制了除掉四根水平地振子的紧凑接收天线，并获得专利(专利号ZL200920085881.6)。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。

本实用新型收发一体化天线系统就是将以前的单极子/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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于高频地波雷达的收发一体化天线。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

由一根垂直杆支撑起的偶极子和水平面内两个正交的有源铁氧体环天线组成，其中支杆是偶极子的下臂，环天线放大装置是以具有50Ω输入阻抗的混合器和放大器IC组成的带通放大器；

三个天线单元相互正交且具有共同的相位中心，其输出端通过收发开关与雷达发射机和接收机连接。

在天线底座板上，安装有支架、三个天线单元的馈电电缆接头、巴仑，以及同时作为偶极子下臂的天线支杆；

在支架上固定电路板，电路板正面安装有铁氧体原环天线及偶极子上臂插座，其反面安装有天线放大装置中除原环天线以外的所有电路；

偶极子上臂安装在玻璃钢防水盒顶端中心。

安装有偶极子上臂的玻璃钢防水盒罩在正交环天线组件上，偶极子上臂根部接头插入电路板中心的插座内；

防水盒固定在接好偶极子下臂的底座板上，偶极子和两个环天线成为架设在一根支杆上的收发一体化天线，三个天线单元相互正交，具有共同的相位中心。

天线放大装置由串联谐振电路、混合器、放大器等组成，其中，每个环天线由铁氧体天线线圈与调谐可变电容接成串联谐振电路，经过50Ω输入阻抗的混合器与放大器相接；接头多路复用，为放大器提供直流电源，并将放大器输出送到天线输出电缆。

具有加载的上臂与同时作为天线系统支杆的下臂；

偶极子下臂经过绝缘杆固定在天线基座上，该偶极子全长小于雷达工作波长的四分之一。

每个环天线对称地绕在两组共轴的短波铁氧体磁棒上，环线圈绕组总长远小于雷达波长λ，环天线在水平面内的方向性成典型的8字形，每个环天线的两半在中间隔开，在其中心安装有垂直偶极子，保障三个相互正交的天线元具有共同的相位中心。

作接收天线使用时构成偶极子/正交有源环天线，其中偶极子接有巴仑，但未接前置放大器；

环天线接有前置放大器，组成有源环天线。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1、与原来分立的单极子/交叉环接收天线和单极子发射天线相比，这种收发一体化天线结构更加紧凑，占地面积进一步小，架设与维护更加方便；

2、除掉了原来接收天线的四根水平地鞭，新型天线更加稳定可靠，更加美观；

3、本实用新型特制的流线型玻璃钢防水盒强度高，轻巧美观，抗风性能好；防紫外辐射、防盐雾腐蚀、防水性能好，使用寿命长；

4、本实用新型既可作为收发一体的高频地波雷达天线使用，又可单独作为偶极子/交叉环接收天线或偶极子发射天线单独使用，增加了使用的灵活性；

5、本实用新型天线架设可以不用三方拉绳，更加满足用户要求。

附图说明

图1是本实用新型提供的用于高频地波雷达的收发一体化天线的结构组成图。

图2是本实用新型提供的用于高频地波雷达的收发一体化天线的放大装置组成框图。

图3是本实用新型提供的用于高频地波雷达的收发一体化天线的放大装置的电路图。

其中，图1中10加20合成30，即收发一体化天线整体。

102-防水盒，一种高强度流线型玻璃钢防水盒；

207-底座板，一种高强度胶木圆形板，与防水盒FSH配套；

206-磁棒架，绝缘胶木制成的铁氧体棒支架；

201-磁棒，其上绕制环天线的高频铁氧体棒；

11、22-铁氧体环天线；

33-偶极子天线，其中101为偶极子上臂，202为偶极子下臂；

101-天线，固定在防水盒顶端中央的偶极子天线上臂；

205-电路板，一种水平双面印刷电路板；

206-合金铝板支架；

202-支杆，同时作为偶极子天线下臂；

203-绝缘棒，与支杆202连接使天线与地绝缘；

F-天线放大装置；

111、221-串联谐振电路；

112、222-混合器；

113、223-低噪声带通放大器；

208-巴仑，实现偶极子与馈电电缆电之间平衡-不平衡转换的传输线变压器。

具体实施方式

本实用新型的目的是提供一种用于高频地波雷达的收发一体化天线，采用以下技术方案：

它由一根垂直杆支撑起的偶极子和水平面内两个正交的有源铁氧体环天线组成，其中支杆是偶极子的下臂，环天线放大装置是以具有50Ω输入阻抗的混合器和放大器IC组成的带通放大器；三个天线单元相互正交且具有共同的相位中心，其输出端可通过收发开关与雷达发射机和接收机连接，从而实现收发一体化的便携式高频地波雷达天线系统。

①一种偶极子/正交有源环天线，由一根固定在流线型玻璃钢防水盒底座板207上适当长度的合金铝杆202支撑，此杆同时作为偶极子的下臂；在底座板207上，还安装有支架206，三个天线单元的馈电电缆接头，巴仑208等。在支架206上固定电路板205，电路板205正面安装有铁氧体原环天线11、22及偶极子上臂101的插座，其反面安装有天线放大装置F中除原环天线11、22以外的所有电路。偶极子上臂101安装在玻璃钢防水盒102顶端中心，当防水盒罩住电路板组件并固定在底座板207上时，偶极子上臂根部接头插入电路板中心的插座。这样组成的偶极子/正交环天线系统，其中三个天线单元相互正交，且具有共同的相位中心。

②电路板205正面相互正交安装两组铁氧体环天线，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(比如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，在它们的中心安装垂直偶极子上臂101；而在防水盒底座板207上安装有偶极子下臂202，这就保障了三个相互正交的天线具有共同的相位中心。

③由于在同一电波的激励下环天线的输出比偶极子的输出小得多(约20dB)，而雷达信号处理需要它们具有相等的电平，故偶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射频放大器增益，使其输出与偶极子输出相当，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。按照美国CODAR信号处理方法，实现雷达天线的方位角扫描。

④环天线的两半中间接入微调电容，组成串联谐振电路111和221，通过具有50Ω输入阻抗的混合器112和222分别与放大器113和223连接，构成带通放大器，调整放大器直流偏置电阻使放大器获得30dB左右增益。在混合器入口有对接的抗干扰齐纳二极管对D1与D2，避免高强度信号使放大器过载。

⑤环天线的特殊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。

⑥偶极子通过巴仑208实现与50Ω射频电缆的平衡-不平衡变换，能承受发射机额定射频功率，并具有雷达要求的频带宽度和驻波比。两个环天线的输出分别与环放大器所需直流电源“多路复用”两个TNC电缆插头相接，偶极子输出/输入则采用N型接头。三个天线元通过相应的50Ω射频电缆连接到收发开关。在收发开关控制下，发射期偶极子与雷达发射机联通，辐射雷达信号；偶极子与两个环天线同时与雷达接收机断开，避免接收机过载。接收期偶极子与两个环天线同时分别与接收机的三个通道输入端联通，接收雷达回波信号。

⑦本实用新型提供的偶极子/正交有源环天线，其铁氧体环天线及耦合放大电路和连接偶极子的巴仑208，用一个高强度玻璃钢防水盒102安装，该盒的顶端中央固定加载偶极子上臂101，底座板207中央固定同时作为支杆的偶极子下臂202，支杆底部接有绝缘棒203，垂直固定在天线基座上，避免使用三方拉绳。底座板207上印制有天线方位标识箭头。

⑧该收发一体化天线安装时，用GPS将天线底座板207上的方位标识箭头旋转到雷达需要的方位，随后用天线基座上四个方向的螺钉固定。此时，天线的实际方位数值必须记入雷达的相关软件中。

下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明：

参见图1，本实用新型提供的用于高频地波雷达的收发一体化天线，采用以下技术方案：

在天线底座板207上，安装有一个巴仑208，4块支架206，支杆202，以及三个天线单元的电缆接头；4块支架206上固定电路板205。电路板205正面安装有铁氧体原环天线11、22及偶极子上臂插座，其反面安装有天线放大器F中除原环天线11、22以外的所有电路。偶极子上臂101固定在防水盒102顶端中央。当防水盒102罩上电路板组件时，偶极子上臂根部接头插入电路板205中心的偶极子上臂插座内，此时，用螺钉把防水盒102固定在底座板207上。流线型玻璃钢防水盒既美观又减小了风阻力。

两个原环天线11、22分别由两组长为1、直径为2a的短波磁棒上的两半组成，它们在电路板205的正面水平固定，且环天线11与环天线22正交；每个环天线的两半之间留一适当空隙，在该空隙中心与二环垂直安装高为h的偶极子上臂101。偶极子下臂202与巴仑208组合固定在底座板207上，其连接方法是使巴仑成为偶极子与馈电电缆之间的平衡-不平衡四比一变换器。这样，环天线11、环天线22、偶极子33三天线相互正交且具有共同的相位中心。

上述两个环天线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。特别是在收发一体化天线系统中，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。尽管如此，本实用新型在混合器112和222的输入端加接了对接的齐纳二极管对D1、D2抗干扰电路。

本实用新型通过与支杆202连成整体的绝缘棒203固定在天线基座上，不需要拉绳，整体外形如图1中30所示。天线整体高度由雷达工作频率决定，不超过雷达波长的四分之一。

本实用新型通过收发开关与雷达发射机和接收机连接。在发射期，收发开关使偶极子33与发射机联通，辐射雷达射频信号，同时三天线与接收机断开，避免强信号使雷达接收机过载。在接收期，收发开关使偶极子33与发射机断开，而使三个天线单元与雷达的三通道接收机联通，接收雷达回波。

在接收期，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，按照特别的定向算法完成雷达数据处理。

如图2所示，有源环天线放大装置F由串联谐振电路111和221、带有抗干扰网络D1、D2的混合器112和222，以及放大器113和223等组成，其连接关系是：

环天线由绕在两组高频铁氧体棒上的L1、L2串联而成，与外接串联电容C1、C2形成串联谐振电路111(221)，其频带宽度覆盖雷达工作带宽；齐纳二极管D1、D2组成的抗干扰网络抑制了雷达发射的本地干扰(即“压地波”)并对其它浪涌电压钳位，有效抑制了强干扰；串联谐振电路111(221)通过抗干扰网络与混合器112(222)连接，其单端输出连接到放大器113(223)。放大器113(223)的输出和直流偏置电源“多路复用”电缆接头TNC。

在图3中，环天线22的电路完全与环天线22相同。巴仑208是典型的4∶1传输线变压器，能承受雷达发射机额定输出功率，实现偶极子33与50Ω电缆之间的平衡-不平衡变换，且使偶极子天线具有雷达需要的频带宽度和驻波比。

Claims (7)

1.一种用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于，包括：

由一根垂直杆支撑起的偶极子和水平面内两个正交的有源铁氧体环天线组成，其中支杆是偶极子的下臂，环天线放大装置是以具有50Ω输入阻抗的混合器和放大器IC组成的带通放大器；

三个天线单元相互正交且具有共同的相位中心，其输出端通过收发开关与雷达发射机和接收机连接。

2.根据权利要求1所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

在天线底座板上，安装有支架、三个天线单元的馈电电缆接头、巴仑，以及同时作为偶极子下臂的天线支杆；

在支架上固定电路板，电路板正面安装有铁氧体原环天线及偶极子上臂插座，其反面安装有天线放大装置中除原环天线以外的所有电路；

偶极子上臂安装在玻璃钢防水盒顶端中心。

3.根据权利要求2所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

安装有偶极子上臂的玻璃钢防水盒罩在正交环天线组件上，偶极子上臂根部接头插入电路板中心的插座内；

防水盒固定在接好偶极子下臂的底座板上，偶极子和两个环天线成为架设在一根支杆上的收发一体化天线，三个天线单元相互正交，具有共同的相位中心。

4.根据权利要求1所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

天线放大装置由串联谐振电路、混合器、放大器组成，其中，每个环天线由铁氧体天线线圈与调谐可变电容接成串联谐振电路，经过50Ω输入阻抗的混合器与放大器相接；接头多路复用，为放大器提供直流电源，并将放大器输出送到天线输出电缆。

5.根据权利要求1所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

具有加载的上臂与同时作为天线系统支杆的下臂；

偶极子下臂经过绝缘杆固定在天线基座上，该偶极子全长小于雷达工作波长的四分之一。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

每个环天线对称地绕在两组共轴的短波铁氧体磁棒上，环线圈绕组总长远小于雷达波长λ，环天线在水平面内的方向性成典型的8字形，每个环天线的两半在中间隔开，在其中心安装有垂直偶极子，保障三个相互正交的天线单元具有共同的相位中心。

7.根据权利要求6所述的用于高频地波雷达的收发一体化天线，其特征在于：

作接收天线使用时构成偶极子/正交有源环天线，其中偶极子接有巴仑，但未接前置放大器； 

环天线接有前置放大器，组成有源环天线。 

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