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一种新型五极化天气雷达天线馈线系统方案

    摘要:天气雷达目前正在向多极化采集信息方向发展,本文提出一种通过“五极化转换开关组合”方便实现五种极化工作模式的新型五极化双通道天气雷达天线馈线系统方案。并给出一个C-BAND3.2米设计实例,表明本设计方案是新颖可行的。
    关键字:电动五极化状态转换开关,旋转关节,取样耦合器、环行器,大功率负载,正交模耦合器,多模馈源,低副瓣天线。

1.) 概述
    天气雷达的目标信息是非常复杂的,且不同极化的信息收集与信息分析是进一步提高天气雷达性能的关键。多极化信息处理是新型多普勒天气雷达的重要特点。本文提出一种新型五极化天气雷达天线馈线系统,雷达只用一台发射机和恒达专门研制的电动五极化状态转换开关便可以实现五种不同极化工作状态的转换。 即水平极化发射、垂直极化发射、水平极化和垂直极化同时发射、左旋圆极化发射、右旋圆极化发射等五种极化发射状态。而且在这五种不同极化发射的工作模式下,接收机可以水平和垂直极化分别接收也可以同时接收目标回波。该天馈系统的主要特点是:大功率、低损耗、双通道、多极化状态可方便转换、高的极化隔离、低的副瓣电平和高的可靠性等。
2.) 问题的提出
    天气环境是地球及周边乃至宇宙各种天象与人为因素而综合的气象结果。对于局部地区来说,天气的变化可谓瞬息万变。工业农业、交通旅游、航海航空、航天军事、人类的生活生存、地球的演变与未来的预知,都离不开对气象的研究。世界各国也都在气象上面花很大的投入来研究。 天气雷达是建立在云雨风雾等近地空间气象物体对微波信号的后向反射特性的基础上发展起来的。越来越多的研究表明,天气雷达目标的后向反射特性是一个非常复杂的参数,随着它特殊的成分和复杂的结构是非常难以用简单的数学分析模型来处理的。因此获得更多频率、更多极化的目标反射数据是进一步研究目标特性的基础。本文正是应这种需求,为多极化天气雷达的设计提供一种新型、新颖、可行且易实现的方案。
3.) 五极化天线馈线方案设计
    为了实现雷达五极化状态发射的要求,天线馈线系统可以采用单通道传输方式也可以采用双通道传输方式。但是,本雷达除要求实行五极化状态发射的要求外,还要求两路正交的接收机在五种极化状态下可以同时或分别接收目标回波信号,以此获得更多的信息。因此,本天线馈线系统就只得采用双通道传输系统的方案。
    为此,我们专门设计了一个五极化状态转换开关组件,通过双通道传输、双极化辐射天线系统来实现五极化天线馈线的方案。天线馈线系统原理图如下页图1所示。
4.) 五极化天线馈线方案原理说明
    双通道五极化天气雷达天线馈线系统,由发射机保护装置、发射机和馈线天线监测检测装置、馈电装置、极化转换装置和双极化天线等组成。
    雷达发射机保护装置是由三端口环行器和大功率负载组成。 用以保护可能来自馈线天线的非正常大反射,对发射机起保护作用。

    发射机和馈线天线监测检测装置由多个耦合器、波导开关、假负载和监测仪器来实现。常用监测仪器有脉冲功率计、频谱仪、检波器和示波器。为了同时监测各种信号,取样耦合器可以有3-6个甚至更多,耦合方向有正向和反向。正向监测发射信号,反向监测来自馈线天线的反射信号即监测馈线天线的系统驻波比。当天线馈线发生非正常故障时,反射信号会有特变。耦合器可以定向检测出回波损耗、两路信号的传输损耗、相位一致性用以辅助判断馈线系统的工作正常与否, 并监测排除效果。波导开关用于控制雷达处于实际工作状态或发射机检测工作状态(将发射机信号打向假负载方向)。
    馈线系统的馈电装置是由连接三极化状态转换开关和双极化馈源之间的两个通道的元器件组成。其中包括四端口环行器、TR放电管、限幅器组成的收发双工器、双通道方位旋转关节、俯仰旋转关节、取样耦合器和不同长度的直、弯、扭波导等组成。方位旋转关节、俯仰旋转关节是整个系统在方位和俯仰方向进行旋转时能正常馈电到天线的重要器件,取样耦合器可以测试或检测两路信号的传输损耗、相位一致性、辅助判断馈线系统的工作正常与否。
    极化转换装置是由恒达公司特殊设计的五极化状态转换开关组件来实现。当发射机信号被开关转到水平极化时,发射信号通过H通道传输到天线H极化辐射;当发射机被开关转到垂直极化时,发射信号通过V通道传输到天线V极化辐射;当发射机被开关转换到H、V双极化时,发射信号被等幅同相通过H通道和V通道传输到天线H和V极化同时辐射;此时实际辐射的是45°斜极化波。当发射机被开关转到左旋或右旋圆极化时,发射信号被等幅正交通过H通道和V通道传输到天线H和V极化辐射;电磁波相位差+90°时,实际辐射的是左旋圆极化波;当两个极化的电磁波相位差-90°时,实际辐射的是右旋圆极化波;从而实现了水平极化、垂直极化、45°斜极化、左旋圆极化波、右旋圆极化五种极化状态的转换。 在五种极化状态下,H、V 两路接收机均可以分别接收或同时接收回波信号。

    由于采用恒达公司发明的“五极化状态转换开关组件”,大大的缩小了馈线的排布体积,同时也更好的解决了两路信号传输的幅度、相位一致性问题,使得操作更加简便。
5.) 一个C波段五极化天线馈线系统的实例
    已经研制出一台C波段五极化天线馈线系统的实例,该天线馈线的技术指标和实测数据记录如表1。实测天线方向图如图2 所示。本文所用符号说明也在表1中列出。

表一

系统参数

指标要求

天线参数

指标要求

实测结果(F-;F0; F+)

工作频率

C波段

天线口径

≥3.2m

3.2m

峰值功率容量

≥300kw

增益

≥41dB

42.04dB;42.2dB;42.5dB

平均功率容量

≥300w

波束宽度

≤1.3°

方位:1.24°—1.36°
俯仰:1.23°—1.4°

工作模式
(单发射机)

H发,H&V收;
V发,H&V收;
H&V发,H&V收;
L发,H&V收;
R发,H&V收;

第一副瓣

≤-26dB

1口方位

-27.76dB;-29.26dB;-29.88dB

1口俯仰

-31.34dB;-33.8dB;-32.27dB

2口方位

-34.42dB;-33.5dB;-34.02dB

2口俯仰

-28.53dB;-28dB;-28.5dB

交叉
极化电平

≤-30 dB

-31.8dB;-31.6dB;-31dB

 

 

在各种极化状态下

波束主轴方向差≤0.1°,
增益差≤0.3dB

波束主轴方向差≤0.01°,
增益差≤0.065dB

 

 

圆极化轴比

≤1.5dB

1.58dB(可望提高到1dB)

符号

说明

馈线参数

技术指标

实测结果

H

水平极化

天线馈线
系统VSWR

≤1.5

还没有全部连接起来测

V

垂直极化

馈线系统
隔离度

≥40dB

≥61.089dB;
≥63.943dB

L

左旋圆极化

收发隔离度

≥30dB

≥30dB

R

右旋圆极化

方位双路
铰链插损

≤0.3dB

0.17dB;0.18dB

 

 

方位双路
铰链转动
插损差起伏

≤0.1dB

≤0.01dB;0.05dB

 

 

铰链转动
相位差起伏

≤3°

≤0.71°;≤0.90°

 

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