專利名稱：倒v形天線陣列mf雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本實(shí)用新型涉及ー種雷達(dá)，尤其是ー種用于中層和熱層大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向測量的氣象雷達(dá)，具體地說是ー種倒V形天線陣列MF雷達(dá)。
背景技術(shù)：
MF雷達(dá)主要用于探測60 IOOkm的中層和熱層大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，并對電離層的電子密度進(jìn)行觀測。從上世紀(jì)80年代以來，由于探測中層大氣的雷達(dá)技術(shù)和分析方法不斷完善，特別是發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)化，具有設(shè)備簡單、運(yùn)行方便和無人值守等突出優(yōu)點(diǎn)，MF中層大氣探測雷達(dá)站迅速増加。目前國際上共有20多個中層大氣雷達(dá)站運(yùn)轉(zhuǎn)，主要分布在北美、澳大利亞、日本、南極大陸等國家和地區(qū)。這些MF雷達(dá)采用普通半波振子天線，天線陣面較大，建設(shè)成本高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有的MF雷達(dá)天線架設(shè)成本高，可靠性和穩(wěn)定差的問題，設(shè)計(jì)ー種倒V形天線陣列MF雷達(dá)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是ー種倒V形天線陣列MF雷達(dá)，它主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成，室內(nèi)設(shè)備主要由發(fā)射裝置、接收裝置、T/R開關(guān)、信號處理裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和電源組成，室外設(shè)備主要由收發(fā)天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特征是所述的收發(fā)天線陣列由四個倒V形天線組成，所述的倒V形天線由ー個主塔I、四個副塔2和ニ根半波天線振子3組成，且主塔I的高度大于副塔2的高度，四個副塔2均布在主塔I的周圍，ニ根半波天線振子3的中點(diǎn)在主塔I的最高點(diǎn)正交，每根天線振子3的兩端下斜后與對應(yīng)的副塔2相連。所述的主塔I的高度至少為副塔高度的2倍。所述的四個倒V形天線中的三個分布在一個等腰三角形的頂點(diǎn)上，另ー個分布在等腰三角形的中心點(diǎn)上。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型采用倒V型天線設(shè)計(jì)MF雷達(dá)，通過不同的工作方式，實(shí)現(xiàn)多個物理參數(shù)的測量。通過工作方式的變換，采用不同的定時關(guān)系、信號處理方法和算法，實(shí)現(xiàn)了中層大氣水平風(fēng)場、垂直風(fēng)場估計(jì)。該實(shí)用新型適用于MF頻段和相近頻段測風(fēng)雷達(dá)的設(shè)計(jì)，對單部雷達(dá)的多功能設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義和借鑒作用。本實(shí)用新型具有方案設(shè)計(jì)合理、測量功能齊全、實(shí)現(xiàn)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。

圖I是本實(shí)用新型的倒V雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的水平風(fēng)場獲取圖。[0015]圖3是本實(shí)用新型的MF雷達(dá)組成系統(tǒng)框圖。圖4是實(shí)用新型的MF雷達(dá)天線架設(shè)圖。圖5是本實(shí)用新型的天線振子寬波束的立體圖。圖6是本實(shí)用新型的天線振子寬波束的平面方向圖。圖7是本實(shí)用新型的天線振子窄波束的立體圖。圖8是本實(shí)用新型的天線振子窄波束的平面方向圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)ー步的說明。如圖1-8所示。ー種倒V形天線陣列MF雷達(dá)，它主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成，室內(nèi)設(shè)備主要由發(fā)射裝置、接收裝置、T/R開關(guān)、信號處理裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和電源組成，室外設(shè)備主要由收發(fā)天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，如圖3所示，所述的收發(fā)天線陣列由四個倒V形天線組成，四個倒V形天線中的三個分布在一個等腰三角形的頂點(diǎn)上，另ー個分布在等腰三角形的中心點(diǎn)上，如圖2、4所示。所述的倒V形天線由ー個主塔I、四個副塔2和ニ根半波天線振子3組成，如圖I所示，且主塔I的高度大于副塔2的高度，主塔的高度最好是副塔高度的二倍以上，本實(shí)施例的主塔高24米，副塔高10料，四個副塔2均布在主塔I的周圍，ニ根半波天線振子3的中點(diǎn)在主塔I的最高點(diǎn)正交，每根天線振子3的兩端下斜后與對應(yīng)的副塔2相連。詳述如下本實(shí)用新型的MF雷達(dá)主要由天饋、發(fā)射、接收、信號處理、數(shù)據(jù)處理和電源幾個分系統(tǒng)組成。室外設(shè)備主要是收發(fā)天線陣、巴倫、饋線電纜，室內(nèi)設(shè)備主要是發(fā)射、接收、T/R開關(guān)、信號處理、數(shù)據(jù)處理和電源。MF雷達(dá)的系統(tǒng)框圖如圖3所示。MF雷達(dá)的室外設(shè)備含收發(fā)天線陣、阻抗變換器和饋線電纜。收發(fā)天線為4付正交偶極子天線，其中3個正交偶極子天線分布在邊長185m的等邊三角形頂點(diǎn)上，I個正交偶極子天線位于三角形的中心，正交偶極子天線呈倒V形結(jié)構(gòu)。MF雷達(dá)的天線陣列見圖2。MF雷達(dá)分8路發(fā)射輸出，每路對應(yīng)I個天線振子。每路的峰值功率大于8kW，占空比不小于O. 5%，其難點(diǎn)和要點(diǎn)是較高的峰值功率，且結(jié)構(gòu)尺寸很小。由于MF雷達(dá)24小時連續(xù)工作和無人值守的高可靠性要求，本雷達(dá)采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)，充分利用中高壓高速M(fèi)OSFET器件作為放大器的功放管，使単元電路達(dá)到較大的峰值功率，再利用功率合成器合成所需的輸出功率。根據(jù)不同的工作原理，MF雷達(dá)的4種工作方式采用了不同的設(shè)備組合、定時控制、信號處理和終端軟件。工作在水平風(fēng)測量方式時，采用了 4付交叉振子天線作為4個天線単元，發(fā)射時4個天線単元同時發(fā)射功率，接收時4個天線単元分別接收微弱反射信號，對每付交叉振子對應(yīng)的2個接收機(jī)做相關(guān)積累，通過對4組積累信號的全相關(guān)分析，獲得中層大氣的水平風(fēng)場速度。工作在垂直風(fēng)測量方式吋，4付交叉振子天線作為ー個整體，以全相參的方式同步發(fā)射功率，接收時8路接收機(jī)接收到的信號，經(jīng)全相干脈沖多普勒處理，得到垂直方向的多普勒頻移，從而計(jì)算出垂直風(fēng)速。工作在電離層密度分布測量方式吋，4付交叉振子天線根據(jù)振子方向分為相互垂直的2組天線単元，每組天線單元包括4個相互平行不共線的振子，通過對激勵信號的相位控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號的線極化、左旋極化和右旋極化控制；通過對接收信號的移相，實(shí)現(xiàn)接收信號的線極化積累、左旋極化積累和右旋極化積累，通過計(jì)算反射信號兩個特征模部分反射系數(shù)之比，獲得不同高度層的電離層密度分布。工作在頻譜估計(jì)方式時，通過定時信號的控制，天線交替工作在I付天線(寬波束)發(fā)射、接收信號和4付天線(窄波束)同時發(fā)射、接收信號的狀態(tài)，對無地網(wǎng)、I. 98MHz、185米間距參數(shù)下的仿真結(jié)果如下表所示。
項(xiàng)目4付天線振頂點(diǎn)天線振子中間天線振子
____ 其中頂點(diǎn)振子指位于三角形頂點(diǎn)的3個天線振子中的某ー個，中間振子特指位于三角形中心的天線振子。根據(jù)頻譜估計(jì)的工作原理，寬波束和窄波束的指向應(yīng)盡可能一致，為此采用4付天線振子和中間天線振子交替工作的方式。寬波束的立體和平面方向圖見圖5和圖6 ;窄波束的的立體和平面方向圖見圖7和圖8。本實(shí)用新型的MF雷達(dá)采用倒V型空間分布天線和全相關(guān)分析技術(shù)，通過采用不同的工作方式，可得到中層大氣的水平風(fēng)場、垂直風(fēng)場等參量?？臻g分布天線的構(gòu)成是MF雷達(dá)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，從查詢到的資料看，目前國際上現(xiàn)有20多個中層大氣MF雷達(dá)站，采用空間分布天線的均為水平振子結(jié)構(gòu)。水平半波振子其振子臂通常離反射面的高度為四分之一波長，本雷達(dá)采用I. 98MHz頻率，四分之一波長就高達(dá)37. 9m,給天線架設(shè)帶來了很大的難度。此外本天線由四付雙極化天線組陣構(gòu)成，姆付雙極化天線由垂直交叉的兩個偶極子天線形成，經(jīng)理論分析和仿真發(fā)現(xiàn)，對天線增益、波瓣性能有影響的因數(shù)除天線架高外，還包括天線振子的水平度、兩個交叉振子之間的垂直度、不同振子之間的平行度、地面平整度、天線陣面的大小等，在保證天線技術(shù)指標(biāo)的前提下，為了方便結(jié)構(gòu)架設(shè)和設(shè)備的維護(hù)，避免隨著時間的推移，天線自重導(dǎo)致天線振子的水平度指標(biāo)下降，本發(fā)明采用倒V形天線結(jié)構(gòu)，倒V形結(jié)構(gòu)參見圖I。倒V形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是每個交叉半波振子中間架高，振子的4個末端下斜，天線架設(shè)呈自然的斜拉穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，天線振子的自重變形大大減小，天線架設(shè)成本的降低，天線架設(shè)難度的大大降低，保證了天線技術(shù)指標(biāo)的穩(wěn)定性。不同情況下的天線陣增益值的差異見下表。[0039]MF雷達(dá)通過改變工作方式并采用不同的處理方法，得到對中層大氣不同物理參數(shù)的測量結(jié)果。具體分為4種1.采用空間分布天線(SA)模式和全相關(guān)分析(FCA)技術(shù)，得到中層大氣的水平風(fēng)場；2.采用全相干脈沖多普勒體制，得到中層大氣的垂直風(fēng)場和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)；3.通過對發(fā)射信號和接收信號的極化控制，得到中層大氣包含的電離層密度分布；4.采用波束合成技術(shù)，通過改變波束寬度實(shí)現(xiàn)中層大氣擾動的譜寬估計(jì)。上述4種工作方式的具體技術(shù)方案分別描述如下。I.水平風(fēng)場的獲取參見圖3，工作方式為8發(fā)8收。對于地面衍射圖案，f(x，y，t)表示某點(diǎn)的場，則相距(ξ，η)并具有時間差τ的信號之間的空間和時間相關(guān)函數(shù)可設(shè)為，=^--(1)
|ゾ0，少メ)|對于靜態(tài)、具有隨機(jī)運(yùn)動的衍射圖案，可假設(shè)相關(guān)函數(shù)具有下面的形式，P ( ξ , η , τ ) = ρ (Α ξ 2+Β η 2+Κ τ 2+2Η ξ η )(2)如果衍射圖案具有速度V，則其形式為，P ( ζ , η, τ ) = p [A ( ξ -Vx · τ ) 2+Β ( η -Vy · τ ) 2+Κ τ 2+2Η ( ξ -Vx · τ )(n-Vy · τ)] (3)上式可以重新寫為，P ( ξ , η，τ ) = ρ (Α ξ 2+Β η 2+Κ τ 2+2F ξ τ +2G η τ +2Η ξ η )(4)比較(3)和(4)式，有下面的關(guān)系A(chǔ)Vx+HVy = -F (5)BVy+HVx = -G (6)通過計(jì)算各個天線的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)，確定(4)中的參數(shù)，然后利用(5，6)式，計(jì)算得到衍射圖案的水平速度。2.垂直風(fēng)場的獲取采用全相干脈沖多普勒處理，得到垂直方向多普勒頻移，計(jì)算垂直風(fēng)速。首先將每個距離門的] 個數(shù)字1，0數(shù)據(jù)，記為101し^)，0(1^バ1)在大氣湍流回波的相關(guān)時間內(nèi)進(jìn)行相干平均
權(quán)利要求1.ー種倒V形天線陣列MF雷達(dá)，它主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成，室內(nèi)設(shè)備主要由發(fā)射裝置、接收裝置、T/R開關(guān)、信號處理裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和電源組成，室外設(shè)備主要由收發(fā)天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特征是所述的收發(fā)天線陣列由四個倒V形天線組成，所述的倒V形天線由ー個主塔(I )、四個副塔(2)和ニ根半波天線振子(3)組成，且主塔(I)的高度大于副塔(2)的高度，四個副塔(2)均布在主塔(I)的周圍，ニ根半波天線振子(3)的中點(diǎn)在主塔(I)的最高點(diǎn)正交，每根天線振子(3)的兩端下斜后與對應(yīng)的副塔(2)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒V形天線陣列MF雷達(dá)，其特征是所述的主塔(I)的高度至少為副塔高度的2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倒V形天線陣列MF雷達(dá)，其特征是所述的四個倒V形天線中 的三個分布在一個等腰三角形的頂點(diǎn)上，另ー個分布在等腰三角形的中心點(diǎn)上。
專利摘要一種倒V形天線陣列MF雷達(dá)，它主要由室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備組成，室內(nèi)設(shè)備主要由發(fā)射裝置、接收裝置、T/R開關(guān)、信號處理裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和電源組成，室外設(shè)備主要由收發(fā)天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特征是所述的收發(fā)天線陣列由四個倒V形天線組成，所述的倒V形天線由一個主塔(1)、四個副塔(2)和二根半波天線振子(3)組成，且主塔(1)的高度大于副塔(2)的高度，四個副塔(2)均布在主塔(1)的周圍，二根半波天線振子(3)的中點(diǎn)在主塔(1)的最高點(diǎn)正交，每根天線振子(3)的兩端下斜后與對應(yīng)的副塔(2)相連。本實(shí)用新型采用倒V形天線設(shè)計(jì)MF雷達(dá)，通過不同的工作方式，實(shí)現(xiàn)多個物理參數(shù)的測量。它具有投資少，穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q1/12GK202404233SQ20112051888
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者張虹, 李忱, 杜磊 申請人:南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司