CN2631056Y - 单极子/正交有源环天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单极子/正交有源环天线，涉及一种高频雷达小型天线。本实用新型由一个垂直单极子和两个水平面内正交的环天线组成，其中环天线放大装置是以具有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装置。该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。由于这种天线结构紧凑，占地面积小，架设与维护方便；环天线放大装置采用高性价比的集成芯片，电路简单，调试方便，成本低廉；玻璃钢防水盒强度高，防紫外辐射、防盐雾腐蚀性能好，使用寿命长，因此有着广阔的应用前景。

Description

单极子/正交有源环天线

技术领域

本实用新型涉及一种高频雷达小型天线，具体地说，涉及一种由一个单极子和两个正交的环天线组成的用于高频海态雷达的天线。

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，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几千米。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。这种雷达天线造价高，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，架设和维护十分方便，特别适合近程高频海态雷达。但美国CODAR的交叉环/单极子天线电路中采用了价格昂贵的混合接头(Hybrid Juction，魔T)及单片微波集成电路，成本很高，不利于推广应用。

发明内容

本实用新型的目的是要克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高性价比的、适用于近岸高频海态雷达的单极子/正交有源环天线。具体地说，一是采用了与CODAR不同的电路，特别是环天线放大装置是以具有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装置，在保证相同技术指标的前提下大大降低了成本；二是改进的抗干扰网络避免了输出信号的附加相移，并提高了信噪比。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

由一个垂直单极子和两个水平面内正交的环天线组成，其中环天线放大装置是以具有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；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。

1)由一根长为h(1.5m)的垂直单极子和水平面内相互正交的两个环天线组成；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l远小于雷达波长λ(比如l＜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单极子，这就保障了三个相互正交的电小天线具有共同的相位中心。

2)由于在同一电波的激励下环天线的输出比单极子的输出小得多(约20dB)，而雷达信号处理需要它们具有相等的电平，故单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，使其输出与单极子输出相当，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。

3)环天线放大装置是以具有高输入阻抗的低噪声宽带跨导放大器IC为核心组成的低噪声带通放大装置，独立地调整输出端并联阻容值和跨导网络阻容值能使放大装置频带宽度覆盖雷达工作带宽；调整输出端负载电阻与跨导网络电阻之比能使放大装置获得足够的增益。

4)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。

5)环天线与外接电容组成并联谐振电路，通过两路由齐纳二极管组成的抗干扰网络对称地连接到天线放大器的两个差动输入端。齐纳二极管对浪涌电压钳位，有效抑制了强干扰。齐纳二极管电容构成环天线并联调谐电容的一部分。抗干扰网络还有低通滤波作用。总之，铁氧体环天线并联调谐电路、齐纳二极管抗干扰网络与低噪声带通放大器一体化设计，实现低噪声带通有源环天线，其通频带覆盖了预定的雷达工作频率范围，其增益满足环天线输出与单及子输出电平相等的要求。

6)单极子和两个环天线的输出通过采用三根等长度的相同型号电缆共同绕在一组磁环上的抗共模干扰扼流圈，分别与环天线放大装置所需直流电源“多路复用”三个BNC电缆插头相接，后者通过50欧姆电缆连到三通道接收机。

7)本实用新型提供的单极子/正交有源环天线用一个高强度玻璃钢防水盒安装，固定在一块正方形的合金铝板上。方形合金铝板的四角沿径向水平安装1.5米长振子，用于减少天线地电流损耗，从而提高天线效率。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

①这种天线结构紧凑，占地面积小，架设与维护方便；

②环天线放大装置采用高性价比的集成芯片，电路简单，调试方便，成本低廉；

③玻璃钢防水盒强度高，防紫外辐射、防盐雾腐蚀性能好，使用寿命长。

                            附图说明

图1—本实用新型组成图；

图2—环天线放大装置组成框图；

图3—环天线放大装置电原理图；

图4—环天线放大装置合成信号心形波束扫描方案图。

其中：

H—防水盒，一种高强度玻璃钢防水正方形盒；

G—防水盖，一种高强度玻璃钢防水正方形盖，与防水盒H配套；

AA、BB—环天线，一种铁氧体环天线，；

A1、A2—环天线输出端；

C—单极子，一种高为1.5米的合金铝管制成的鞭天线；

DB—电路板，一种水平双面印刷电路板；

PB—屏蔽盒，一种合金铝板屏蔽盒；

DZ—天线底座板，一块正方形的合金铝板；

D——振子，一种长为1.5米的合金铝管鞭(类似于单极子)；作为单极子C的“接地网”，减少天线地电流损耗，提高天线效率；

F—天线放大装置；

F_AA—环天线AA的天线放大装置；

F_BB—环天线BB的天线放大装置；

F1—并联谐振电路，由绕在两组高频铁氧体棒上的串联电感L1、L2与外接的串联电容C1、C2并联组成；

F2—抗干扰网络，由齐纳二极管D1、D2和电阻R1以及D3、D4和R2组成；D1、R1、D2和D4、R2、D3依次分别接成两个π型滤波电路，其中D1-D4的正端在对称中点接地；

IC—放大器，为以一种具有高输入阻抗的低噪声宽带跨导集成电路为核心组成的带通放大器；本实施例选用MAX436。

M—电涌放电器，一种用于防雷的装置；

D1、D2、D3、D4—齐纳二极管；

R1、R2—电阻；

L₆、L₇、L₈—抗共模干扰扼流圈；

φ—以环A轴为基准的水平方位角；

ψ—需要的波束最大值方向；

S(φ)—来自方位角φ的信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

1、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，安装有一个防水盒H和防水盖G；在防水盒H内，安装有电路板DB和屏蔽盒PB；电路板DB其正面沿防水盒(H)对角线安装有两个水平正交的环天线AA、BB及单极子插座，其反面安装有天线放大装置F中除环天线AA、BB以外的所有电路，电路板DB的正面覆铜板和与天线底座板DZ连一起的屏蔽盒PB对天线放大装置F安装在DB反面的电路起屏蔽作用；单极子C垂直安装在防水盖G的中心，并插入电路板DB中心的单极子插座内。

两个环天线AA、BB分别由两组长为l、直径为2a的短波磁棒上的两半组成，它们在电路板DB的正面沿防水盒H对角线水平固定，且环天线AA与环天线BB正交；每个环天线的两半之间留一适当空隙，在该空隙中心与二环垂直安装高为h的单极子C，使得环天线AA、环天线BB、单极子C三天线相互正交且具有共同的相位中心。沿防水盒H对角线固定两组环天线就充分利了用防水盒空间，使磁棒可用长度最大(比平行于盒边安装磁棒长度约增大20％)。

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坏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，环天线放大装置有可能免除“压地波”技术的复杂结构。

天线底座板DZ的四角水平安装1.5米长的振子D，作为单极子C的“接地网”，减少天线地电流损耗，提高天线效率。

本实用新型通过天线底座板DZ上的接头固定在直立的2米高天线杆上，此杆应有良好的接地。

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AA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AA输出为sinφS(φ)，环天线BB输出为cosφS(φ)。

如图4所示，按照美国CODAR信号处理方法，信号处理软件将环天线AA输出乘以sinψ，环天线BB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。

环天线放大装置F以具有高输入阻抗的低噪声宽带跨导放大器IC为核心组成带通放大器，三个天线单元相互正交且具有共同的相位中心。

2、如图2所示，天线放大装置F由并联谐振电路F1、抗干扰网络F2、放大器IC、电涌放电器M、抗共模干扰扼流圈L₆、L₇、L₈等组成，其中：

2.1、环天线AA的天线放大装置F_AA为并联谐振电路F1、抗干扰网络F2、放大器IC、抗共模干扰扼流圈L₆依次连接。

2.2、环天线BB的天线放大装置F_BB为并联谐振电路F1、抗干扰网络F2、放大器IC、抗共模干扰扼流圈L₇依次连接。

2.3、单极子C、电涌放电器M、抗共模干扰扼流圈L₈依次连接。

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组成并联谐振电路F1，其频带宽度覆盖雷达工作带宽；齐纳二极管D1、D2和电阻R1以及D3、D4和R2组成的抗干扰网络F2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；并联谐振电路F1通过抗干扰网络F2对称地与放大器IC的两个差动输入端相接。

天线放大装置F，其电压增益G为

$G=K\frac{R_L}{R_t}$

其中K是宽带跨导放大器的电流增益比；调整输出端电阻R_L和跨导网络电阻R_t之比，使放大器增益G满足在同一入射电波激励下环A、环B在垂直磁棒轴线方向上的输出信号幅度与单极子的输出信号幅度大致相等。环放大器工作带宽的低转角频率f_L(＝f₀-Δf)由跨导网络元件R_t和C_t形成的高通滤波器独立决定

$f_L=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_t{C}_t},$

高转角频率f_H(＝f₀+Δf)由输出端并联阻容元件R_L和C_L形成的低通滤波器独立决定

$f_H=\frac{1}{2\mathrm{\π}{R}_L{C}_L},$

使雷达工作带宽B＝2Δf在中心频率f₀附近满足设计要求。

垂直单极子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。

抗共模干扰扼流圈L₆、L₇、L₈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的输出端。采用同型号等长度电缆绕制抗共模信号扼流圈避免了三天线输出的附加相移。

直流电源+V_cc、-V_cc分别与环天线放大装置F输出信号和单极子C输出信号“多路复用”三个BNC电缆插头。

Claims (5)

1、一种单极子/正交有源环天线，其特征在于由下列部件组成，其连接关系是：

在天线底座板(DZ)上，安装有一个防水盒(H)和防水盖(G)；在防水盒(H)内，安装有电路板(DB)及屏蔽盒(PB)；电路板(DB)正面沿防水盒(H)对角线安装有两个水平正交的环天线(AA)、环天线(BB)及单极子插座，其反面安装有天线放大装置(F)中除环天线(AA)、环天线(BB)以外的所有电路；单极子(C)垂直安装在防水盖(G)的中心，并插入电路板(DB)中心的单极子插座内；天线底座板(DZ)的四角水平安装有振子(D)；

天线放大装置(F)由并联谐振电路(F1)、抗干扰网络(F2)、放大器(IC)、电涌放电器(M)、抗共模干扰扼流圈(L₆)、(L₇)、(L₈)等组成，其中：

环天线(AA)的天线放大装置(F_AA)为并联谐振电路(F1)、抗干扰网络(F2)、放大器(IC)、抗共模干扰扼流圈(L₆)依次连接；

环天线(BB)的天线放大装置(F_BB)为并联谐振电路(F1)、抗干扰网络(F2)、放大器(IC)、抗共模干扰扼流圈(L₇)依次连接；

单极子(C)、电涌放电器(M)、抗共模干扰扼流圈(L₈)依次连接；

环天线(AA)、环天线(BB)和单极子(C)的输出通过抗共模干扰扼流圈(L₆)、(L₇)、(L₈)，分别与环天线放大装置所需直流电源“多路复用”三个BNC电缆插头相接，后者通过50欧姆电缆连到三通道接收机。

2、按权利要求1所述的一种单极子/正交有源环天线，其特征在于：两个环天线(AA)、环天线(BB)其线圈是一种沿磁棒轴线在正、反方向上来回间绕相同圈数的线圈。

3、按权利要求1所述的一种单极子/正交有源环天线，其特征在于：并联谐振电路(F1)，由绕在两组高频铁氧体棒上的串联电感(L1)、(L2)与外接的串联电容(C1)、(C2)并联组成。

4、按权利要求1所述的一种单极子/正交有源环天线，其特征在于：抗干扰网络(F2)由齐纳二极管(D1)、(D2)和电阻(R1)以及齐纳二极管(D3)、(D4)和电阻(R2)组成；齐纳二极管(D1)、电阻(R1)、齐纳二极管(D2)和齐纳二极管(D4)、电阻(R2)、齐纳二极管(D3)依次分别接成两个π型滤波电路，其中齐纳二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)的正端在对称中点接地。

5、按权利要求1所述的一种单极子/正交有源环天线，其特征在于：放大器(IC)为一种以具有高输入阻抗的低噪声宽带跨导集成电路为核心组成的带通放大器。

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