倒v形天線陣列mf雷達的製作方法

2023-04-26 06:20:26 1

專利名稱：倒v形天線陣列mf雷達的製作方法
技術領域：
[0001]本實用新型涉及ー種雷達，尤其是ー種用於中層和熱層大氣水平風速、風向測量的氣象雷達，具體地說是ー種倒V形天線陣列MF雷達。
背景技術：
MF雷達主要用於探測60 IOOkm的中層和熱層大氣水平風速、風向等參數，並對電離層的電子密度進行觀測。從上世紀80年代以來，由於探測中層大氣的雷達技術和分析方法不斷完善，特別是發射機實現了全固態化，具有設備簡單、運行方便和無人值守等突出優點，MF中層大氣探測雷達站迅速増加。目前國際上共有20多個中層大氣雷達站運轉，主要分布在北美、澳大利亞、日本、南極大陸等國家和地區。這些MF雷達採用普通半波振子天線，天線陣面較大，建設成本高。
發明內容本實用新型的目的是針對現有的MF雷達天線架設成本高，可靠性和穩定差的問題，設計ー種倒V形天線陣列MF雷達。本實用新型的技術方案是ー種倒V形天線陣列MF雷達，它主要由室內設備和室外設備組成，室內設備主要由發射裝置、接收裝置、T/R開關、信號處理裝置、數據處理裝置和電源組成，室外設備主要由收發天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特徵是所述的收發天線陣列由四個倒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的高度大於副塔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的中點在主塔I的最高點正交，每根天線振子3的兩端下斜後與對應的副塔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上，另ー個分布在等腰三角形的中心點上。本實用新型的有益效果本實用新型採用倒V型天線設計MF雷達，通過不同的工作方式，實現多個物理參數的測量。通過工作方式的變換，採用不同的定時關係、信號處理方法和算法，實現了中層大氣水平風場、垂直風場估計。該實用新型適用於MF頻段和相近頻段測風雷達的設計，對單部雷達的多功能設計具有指導意義和借鑑作用。本實用新型具有方案設計合理、測量功能齊全、實現費用少等優點。

圖I是本實用新型的倒V雷達天線結構示意圖。圖2是本實用新型的水平風場獲取圖。[0015]圖3是本實用新型的MF雷達組成系統框圖。圖4是實用新型的MF雷達天線架設圖。圖5是本實用新型的天線振子寬波束的立體圖。圖6是本實用新型的天線振子寬波束的平面方向圖。圖7是本實用新型的天線振子窄波束的立體圖。圖8是本實用新型的天線振子窄波束的平面方向圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進ー步的說明。如圖1-8所示。ー種倒V形天線陣列MF雷達，它主要由室內設備和室外設備組成，室內設備主要由發射裝置、接收裝置、T/R開關、信號處理裝置、數據處理裝置和電源組成，室外設備主要由收發天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，如圖3所示，所述的收發天線陣列由四個倒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上，另ー個分布在等腰三角形的中心點上，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的高度大於副塔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的中點在主塔I的最高點正交，每根天線振子3的兩端下斜後與對應的副塔2相連。詳述如下本實用新型的MF雷達主要由天饋、發射、接收、信號處理、數據處理和電源幾個分系統組成。室外設備主要是收發天線陣、巴倫、饋線電纜，室內設備主要是發射、接收、T/R開關、信號處理、數據處理和電源。MF雷達的系統框圖如圖3所示。MF雷達的室外設備含收發天線陣、阻抗變換器和饋線電纜。收發天線為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的等邊三角形頂點上，I個正交偶極子天線位於三角形的中心，正交偶極子天線呈倒V形結構。MF雷達的天線陣列見圖2。MF雷達分8路發射輸出，每路對應I個天線振子。每路的峰值功率大於8kW，佔空比不小於O. 5%，其難點和要點是較高的峰值功率，且結構尺寸很小。由於MF雷達24小時連續工作和無人值守的高可靠性要求，本雷達採用全固態發射機，充分利用中高壓高速MOSFET器件作為放大器的功放管，使単元電路達到較大的峰值功率，再利用功率合成器合成所需的輸出功率。根據不同的工作原理，MF雷達的4種工作方式採用了不同的設備組合、定時控制、信號處理和終端軟體。工作在水平風測量方式時，採用了 4付交叉振子天線作為4個天線単元，發射時4個天線単元同時發射功率，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的2個接收機做相關積累，通過對4組積累信號的全相關分析，獲得中層大氣的水平風場速度。工作在垂直風測量方式吋，4付交叉振子天線作為ー個整體，以全相參的方式同步發射功率，接收時8路接收機接收到的信號，經全相干脈衝都卜勒處理，得到垂直方向的都卜勒頻移，從而計算出垂直風速。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，實現發射信號的線極化、左旋極化和右旋極化控制；通過對接收信號的移相，實現接收信號的線極化積累、左旋極化積累和右旋極化積累，通過計算反射信號兩個特徵模部分反射係數之比，獲得不同高度層的電離層密度分布。工作在頻譜估計方式時，通過定時信號的控制，天線交替工作在I付天線(寬波束)發射、接收信號和4付天線(窄波束)同時發射、接收信號的狀態，對無地網、I. 98MHz、185米間距參數下的仿真結果如下表所示。
項目4付天線振頂點天線振子中間天線振子
____ 其中頂點振子指位於三角形頂點的3個天線振子中的某ー個，中間振子特指位於三角形中心的天線振子。根據頻譜估計的工作原理，寬波束和窄波束的指向應儘可能一致，為此採用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。本實用新型的MF雷達採用倒V型空間分布天線和全相關分析技術，通過採用不同的工作方式，可得到中層大氣的水平風場、垂直風場等參量。空間分布天線的構成是MF雷達功能實現的關鍵，從查詢到的資料看，目前國際上現有20多個中層大氣MF雷達站，採用空間分布天線的均為水平振子結構。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，本雷達採用I. 98MHz頻率，四分之一波長就高達37. 9m,給天線架設帶來了很大的難度。此外本天線由四付雙極化天線組陣構成，姆付雙極化天線由垂直交叉的兩個偶極子天線形成，經理論分析和仿真發現，對天線增益、波瓣性能有影響的因數除天線架高外，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，在保證天線技術指標的前提下，為了方便結構架設和設備的維護，避免隨著時間的推移，天線自重導致天線振子的水平度指標下降，本發明採用倒V形天線結構，倒V形結構參見圖I。倒V形結構的特點是每個交叉半波振子中間架高，振子的4個末端下斜，天線架設呈自然的斜拉穩定結構，天線振子的自重變形大大減小，天線架設成本的降低，天線架設難度的大大降低，保證了天線技術指標的穩定性。不同情況下的天線陣增益值的差異見下表。[0039]MF雷達通過改變工作方式並採用不同的處理方法，得到對中層大氣不同物理參數的測量結果。具體分為4種1.採用空間分布天線(SA)模式和全相關分析(FCA)技術，得到中層大氣的水平風場；2.採用全相干脈衝都卜勒體制，得到中層大氣的垂直風場和大氣折射率結構常數；3.通過對發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.採用波束合成技術，通過改變波束寬度實現中層大氣擾動的譜寬估計。上述4種工作方式的具體技術方案分別描述如下。I.水平風場的獲取參見圖3，工作方式為8發8收。對於地面衍射圖案，f(x，y，t)表示某點的場，則相距(ξ，η)並具有時間差τ的信號之間的空間和時間相關函數可設為，=^--(1)
|ゾ0，少メ)|對於靜態、具有隨機運動的衍射圖案，可假設相關函數具有下面的形式，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，有下面的關係AVx+HVy = -F (5)BVy+HVx = -G (6)通過計算各個天線的自相關函數和互相關函數，確定(4)中的參數，然後利用(5，6)式，計算得到衍射圖案的水平速度。2.垂直風場的獲取採用全相干脈衝都卜勒處理，得到垂直方向都卜勒頻移，計算垂直風速。首先將每個距離門的] 個數字1，0數據，記為101し^)，0(1^バ1)在大氣湍流回波的相關時間內進行相干平均
權利要求1.ー種倒V形天線陣列MF雷達，它主要由室內設備和室外設備組成，室內設備主要由發射裝置、接收裝置、T/R開關、信號處理裝置、數據處理裝置和電源組成，室外設備主要由收發天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特徵是所述的收發天線陣列由四個倒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)的高度大於副塔(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)的中點在主塔(I)的最高點正交，每根天線振子(3)的兩端下斜後與對應的副塔(2)相連。
2.根據權利要求I所述的倒V形天線陣列MF雷達，其特徵是所述的主塔(I)的高度至少為副塔高度的2倍。
3.根據權利要求I所述的倒V形天線陣列MF雷達，其特徵是所述的四個倒V形天線中 的三個分布在一個等腰三角形的頂點上，另ー個分布在等腰三角形的中心點上。
專利摘要一種倒V形天線陣列MF雷達，它主要由室內設備和室外設備組成，室內設備主要由發射裝置、接收裝置、T/R開關、信號處理裝置、數據處理裝置和電源組成，室外設備主要由收發天線陣列、巴倫和饋線電纜組成，其特徵是所述的收發天線陣列由四個倒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)的高度大於副塔(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)的中點在主塔(1)的最高點正交，每根天線振子(3)的兩端下斜後與對應的副塔(2)相連。本實用新型採用倒V形天線設計MF雷達，通過不同的工作方式，實現多個物理參數的測量。它具有投資少，穩定性好的優點。
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 優先權日2011年12月12日
發明者張虹, 李忱, 杜磊 申請人:南京恩瑞特實業有限公司