本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于HF/VHF雷達(dá)的雙頻矢量傳感器。

背景技術(shù)：

較低頻率雷達(dá)，例如工作在HF/VHF頻帶的雷達(dá)，波長與散射目標(biāo)可比擬，廣泛的應(yīng)用于海洋表面動力學(xué)參數(shù)監(jiān)測。而其特有的天波和地波超視距傳播模式能夠探測到地平線以下的目標(biāo)，使其也很適用于檢測飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等目標(biāo)。

為了達(dá)到與微波雷達(dá)相當(dāng)?shù)姆较驁D增益，傳統(tǒng)的陣列式雷達(dá)需要較大的天線陣長，一般達(dá)到幾百米甚至上千米。美國專利U.S.Pat.No.4433336發(fā)明了一種交叉環(huán)/單極子(crossed-loops/monopole)三元天線，是一種緊湊型的組合天線系統(tǒng)。該天線系統(tǒng)利用多重信號分類算法(Multiple Signal Classification)實(shí)現(xiàn)了較好的角度探測精度，同時其具有的占地面積小、造價低的特點(diǎn)，使其在近二十年廣泛應(yīng)用于高頻海洋雷達(dá)。

武漢大學(xué)研制的雙頻全數(shù)字高頻海洋雷達(dá)主要用于探測海洋表面風(fēng)、浪、流場和低速移動目標(biāo)，專利《一種多頻緊湊陣全數(shù)字雷達(dá)裝置》(ZL：201320260206.9)設(shè)計(jì)了一套雷達(dá)系統(tǒng)能夠工作在多頻模式下，以適應(yīng)不同尺度海浪探測的需要，并且提升目標(biāo)探測以及抗干擾性能。該雷達(dá)系統(tǒng)需要分時工作在兩個頻率，為此嘗試了多種方法實(shí)現(xiàn)雙頻矢量傳感器的研制，但是有開關(guān)芯片隔離度都不理想導(dǎo)致感應(yīng)能力不足、內(nèi)部電路未知(即使內(nèi)部旁路電容電感都很有可能會影響環(huán)天線的諧振)、還需要加入降壓穩(wěn)壓電路來為芯片供電使得傳感器各通道不均衡并抬高天線內(nèi)部噪底等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)上存在的上述缺點(diǎn)和不足，提供一種新的雙頻矢量傳感器設(shè)計(jì)方案，使該傳感器能夠更加理想地工作在單頻和雙頻工作模式，多個傳感器之間噪底、信號感應(yīng)能力都較為均衡，從而提高了高頻海洋雷達(dá)對海洋表面動力學(xué)參數(shù)的探測精度與適應(yīng)能力、海面船艦、飛機(jī)、導(dǎo)彈的探測能力、以及雷達(dá)的抗干擾能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于HF/VHF雷達(dá)的雙頻矢量傳感器，包括單極子天線，兩組相互正交的磁棒天線，以及后級板載電路；

所述單極子天線、磁棒天線分別與板載電路連接。

其中，所述的板載電路包括：依次相連的高隔離度開關(guān)控制模塊、變壓器模塊、低噪聲放大器模塊、抗共模干擾模塊、TNC接口模塊；

所述單極子天線與抗共模干擾模塊連接，所述磁棒天線通過高隔離度開關(guān)控制模塊與變壓器模塊連接。

其中，兩組相互正交的磁棒天線，分別由兩組子磁棒組成，兩組磁棒天線共相位中心且相互正交。

其中，所述的每組子磁棒由四根鐵氧體磁棒構(gòu)成，鐵氧體磁棒上面繞有多匝導(dǎo)線，所述的導(dǎo)線直徑大于0.8mm。

其中，所述導(dǎo)線匝數(shù)大于兩組。

其中，所述的兩組相互正交的磁棒天線采用十字型擺放或者采用口字型擺放。

其中，兩組相互正交的磁棒天線是兩個完全正交的8字型方向圖，單極子天線是全向天線。

其中，所述的高隔離度開關(guān)控制模塊包括：一組相互對接的二極管、電容構(gòu)成的交流通路、電感構(gòu)成的直流通路、受控制的可調(diào)電容、控制信號接入端，

所述的控制信號接入端輸入的頻率控制信號提供高低電平控制二極管對管通斷，控制與其相連接的可調(diào)電容是否并入LC諧振，由此靈活地實(shí)現(xiàn)磁棒天線兩個工作頻率分時工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1，本發(fā)明的雙頻矢量傳感器，可以根據(jù)實(shí)際探測需要靈活的選擇分時雙頻工作和單頻工作，并且可以在較大頻率范圍內(nèi)調(diào)整諧振點(diǎn)。

2，本發(fā)明采用的高隔離度開關(guān)模塊，利用了二極管通斷兩種狀態(tài)下均接近理想開關(guān)的特點(diǎn)，具有低導(dǎo)通電阻和極大的斷開電阻，使得該雙頻矢量傳感器在設(shè)計(jì)的兩個頻率以及調(diào)整諧振點(diǎn)后的各個頻率上都可以達(dá)到近似理想的感應(yīng)能力，基本沒有能量衰減。該天線還具有極短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，比輸入的控制信號脈寬小三個數(shù)量級以上，使其能夠迅速地切換工作狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)兩個工作頻率時分復(fù)用。

3，本發(fā)明的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的高頻海洋雷達(dá)能夠在一部雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)兩個頻率分時工作，在一個緊湊型接收陣列中實(shí)現(xiàn)兩個頻率信號的分時接收，一方面降低了雷達(dá)系統(tǒng)造價，減少了雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)面積，另一方面也極大的提高了雷達(dá)系統(tǒng)對海洋風(fēng)浪流場的監(jiān)測能力，提高了對低空目標(biāo)、海面艦船的檢測能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明各模塊之間連接關(guān)系的總體框圖。

圖2是本發(fā)明采用的兩組正交磁棒天線的兩種擺放方式。

圖3是本發(fā)明采用的環(huán)天線各部分連接關(guān)系的框圖。

圖4是本發(fā)明三個傳感器的水平面電場方向圖。

圖5是本發(fā)明采用的高隔離度開關(guān)控制模塊原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明申請作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

參見附圖1，實(shí)施例提供的一種用于HF/VHF雷達(dá)的雙頻矢量傳感器由單極子天線MONOPOLE、相互正交的磁棒天線LOOPA和LOOP B，以及板載電路；所述單極子天線、磁棒天線分別與板載電路連接。板載電路包括依次相連的高隔離度開關(guān)控制模塊(簡稱KG)、變壓器模塊(簡稱BY)、低噪聲放大器模塊(簡稱LNA)、抗共模干擾模塊(簡稱EL)、TNC接口模塊。

參見附圖1，單極子天線感應(yīng)到的信號直接經(jīng)過抗共模干擾模塊就輸出給后級接收機(jī)，與單極子天線共相位中心的兩組磁棒天線經(jīng)過了變壓器模塊、低噪聲放大器模塊、抗共模干擾模塊后輸出給后級接收機(jī)。

參見附圖2，兩組相互正交的磁棒天線，分別由兩組子磁棒組成，每組子磁棒由四根鐵氧體磁棒構(gòu)成，鐵氧體磁棒上面繞有多匝導(dǎo)線，所述導(dǎo)線匝數(shù)大于兩組。所述的導(dǎo)線直徑大于0.8mm。兩組磁棒天線共相位中心且相互正交，有兩種擺放方式：十字型擺放和口字型擺放。要求是兩組子磁棒能夠?qū)Ω袘?yīng)到的電流實(shí)現(xiàn)同相疊加、兩組磁棒天線包括其對應(yīng)的后級板載電路都完全正交，與單極子天線共相位中心。

參見附圖3，實(shí)施例中給出了磁棒天線LOOPA各部分連接關(guān)系的框圖。高隔離度開關(guān)控制模塊中的可調(diào)電容與磁棒天線上的導(dǎo)線形成的電感L構(gòu)成LC串聯(lián)諧振回路，將兩組子磁棒L1和L2感應(yīng)到的外界電磁場的電壓進(jìn)行同相疊加，變壓器模塊將該磁棒天線感應(yīng)到的雙端電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，輸入低噪聲放大器模塊，經(jīng)過抗共模干擾模塊，從TNC接口模塊中的A接口經(jīng)電纜輸入給后級雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行信號處理。

磁棒天線LOOP B的各部分連接關(guān)系與磁棒天線LOOPA一樣，區(qū)別在于兩個磁棒的擺放位置以及后級的板載電路都做到完全正交。

參見附圖4，實(shí)施例給出了該傳感器水平面電場方向圖，磁棒天線LOOPA和LOOP B是兩個完全正交的8字型方向圖。單極子天線MONOPOLE是全向天線，在各個角度的響應(yīng)都是一樣的。這種緊湊型組合傳感器的方向圖是為后期信號處理估計(jì)信號角度的良好基礎(chǔ)。

雙頻矢量傳感器在兩個工作頻率下的方向圖均如附圖4所示，始終保持單極子天線是全向天線，兩個正交磁棒天線是相互正交的8字型。

參見附圖5，實(shí)施例給出了高隔離度開關(guān)控制模塊的電路原理圖。包括：一組相互對接的二極管、電容構(gòu)成的交流通路、電感構(gòu)成的直流通路、受控制的可調(diào)電容、控制信號接入端，所述的控制信號接入端輸入的頻率控制信號提供高低電平控制二極管對管通斷，控制與其相連接的可調(diào)電容是否并入LC諧振，由此靈活地實(shí)現(xiàn)磁棒天線兩個工作頻率分時工作。該模塊對于雙頻分時工作至關(guān)重要，因?yàn)樗哂械蛯?dǎo)通阻抗，高斷開阻抗，開關(guān)切換時間間隔短的特點(diǎn)。利用二極管對管在高低電平控制下與參考電平地的電壓差來控制二極管的通斷，由此控制可調(diào)電容是否并入LC串聯(lián)回路，改變LC串聯(lián)諧振的諧振點(diǎn)，并且在兩個諧振點(diǎn)上能量衰減很小，使得雙頻矢量傳感器能夠近似理想的工作在兩個頻率。

所述高隔離度開關(guān)控制模塊中的可調(diào)電容與磁棒天線上的導(dǎo)線形成的電感L構(gòu)成LC串聯(lián)諧振回路，將兩組子磁棒感應(yīng)到的外界電磁場的電壓進(jìn)行同相疊加，變壓器模塊將該磁棒天線感應(yīng)到的雙端電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，輸入低噪聲放大器模塊，經(jīng)過抗共模干擾模塊，從TNC接口模塊經(jīng)電纜輸入給后級雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行信號處理。

所述的變壓器模塊，能夠?qū)⒋虐籼炀€兩端的電壓轉(zhuǎn)換為單端電壓傳輸給低噪聲放大器模塊，并且合理的選擇變壓比能夠改變LC回路Q值從而改變磁棒天線的頻帶寬度與峰值增益。

發(fā)射天線發(fā)射的是電信號，單極子天線感應(yīng)電場能量，而磁棒天線感應(yīng)磁場能量，經(jīng)過所述的低噪聲放大器模塊后能夠使得感應(yīng)到的信號能量強(qiáng)度與單極子天線相均衡，同時也避免信號太弱在電纜傳輸中的能量損失。

雙頻矢量傳感器中的磁棒天線是一種基于LC串聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)的環(huán)天線，兩組子磁棒感應(yīng)到外界的磁場，交變的磁通量在其繞線上產(chǎn)生交變的電流，對于諧振頻率上的電磁波具有最小的能量衰減。

雙頻工作的時候，由后級接收機(jī)給出控制電平FreqControl,實(shí)施例中我們給出的控制電平是0/3.3V的門控電平。

當(dāng)控制電平是0V時，對于二極管D1和D2，兩端都是0V，二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，等效于一個極大的電阻將可調(diào)電容C3支路斷開，此時交流通路上只有可調(diào)電容C4與磁棒電感L1、L2相串聯(lián)，此時諧振頻率為：

當(dāng)控制電平是3.3V時，對于二極管D1和D2，正極和負(fù)極之間電壓差達(dá)到3.3V，二極管均導(dǎo)通，等效于一個很小的電阻將可調(diào)電容C3支路與可調(diào)電容C4相并聯(lián)，此時交流通路上可調(diào)電容C3和C4相并聯(lián)再與磁棒電感L1、L2相串聯(lián)，此時諧振頻率為：

通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容C3、C4，可以將雙頻矢量傳感器的兩個頻率調(diào)諧到我們所需要的工作頻率，并且得益于這種二極管設(shè)計(jì)的開關(guān)模塊近似于理想的單刀單置開關(guān)，在兩個工作頻率上都基本等效于理想的單頻磁棒天線的接收效率。

對于海洋風(fēng)浪流場的探測，通常需要較長的相干積累時間，而且海洋可以認(rèn)為是一種平穩(wěn)的隨機(jī)過程。二極管有著極快的通斷切換時間，使得我們可以在一段相干積累時間內(nèi)通過快拍之間的分時接收最后同時得到兩個工作頻率的相干積累結(jié)果。

所述雙頻矢量傳感器還包括有傳感器的防水盒、支撐桿、配套電纜、固定樁繩。以上裝置構(gòu)成了完整的雙頻矢量傳感器系統(tǒng)。單極子天線垂直安裝在防水盒正中心，通過盒蓋上的香蕉頭與板載電路中心相連接，再送入防水盒下部的電纜接口與雷達(dá)接收機(jī)相連接。

完成整個雙頻矢量傳感器的設(shè)計(jì)之后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試該雙頻矢量傳感器的諧振特性，證明整個傳感器的確諧振在和兩個頻率。還需將其放置于防水盒內(nèi)，連好電纜，利用支撐桿和固定樁繩將其架設(shè)起來。利用信號源和其他標(biāo)準(zhǔn)天線，分別將信號加在雙頻矢量傳感器的三個傳感元上，在距離該傳感器一公里以外的距離上依次分別接收各種天線的輻射信號，可驗(yàn)證該傳感器在不同頻率下各個角度的天線方向圖特性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，去除了光耦芯片、降壓芯片、開關(guān)芯片等有源器件，盡可能降低天線內(nèi)部的噪聲基底和增加各個天線之間的隔離度；利用二極管全新設(shè)計(jì)的高隔離度開關(guān)模塊使該天線能夠理想地分時工作在兩個不同頻率，該發(fā)明一方面提高了高頻海洋雷達(dá)探測海洋風(fēng)浪流的精度及不同海況下的適應(yīng)能力，也提高了對于海上船艦、低空飛機(jī)等硬目標(biāo)的檢測與跟蹤的精確度及對不同體量、姿態(tài)的目標(biāo)檢測能力。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。