專(zhuān)利名稱(chēng)：一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種雷達(dá)散射計(jì)，特別涉及一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
星載雷達(dá)是一種重要的對(duì)地觀測(cè)儀器，通過(guò)雷達(dá)天線(xiàn)波束的掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)刈幅范圍內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量與成像是一種常用的測(cè)量方法。在現(xiàn)有技術(shù)中，雷達(dá)天線(xiàn)與所觀測(cè)的目標(biāo)或區(qū)域之間的距離引起雷達(dá)收到的目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間之間有一定的延遲。經(jīng)過(guò)這一延遲，進(jìn)行掃描的雷達(dá)天線(xiàn)的波束方向或照射區(qū)域會(huì)發(fā)生偏移，即發(fā)射時(shí)刻雷達(dá)波束在地面或海面的照射足印與接收時(shí)刻雷達(dá)波束的照射足印會(huì)發(fā)生偏離。如圖1所示，方向S表示波束掃描方向，數(shù)字10表示接收時(shí)刻天線(xiàn)地面足印，數(shù)字11表示發(fā)射時(shí)刻天線(xiàn)地面足印，數(shù)字12表示收發(fā)波束重合足印，兩個(gè)時(shí)刻的天線(xiàn)地面足印不能完全覆蓋，造成天線(xiàn)的收發(fā)雙程增益下降。
對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，只要在收發(fā)延遲時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)沒(méi)有移出天線(xiàn)波束的照射范圍，則雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化，天線(xiàn)波束的掃描損耗對(duì)雷達(dá)的測(cè)量不產(chǎn)生影響；當(dāng)所測(cè)量的目標(biāo)是連續(xù)分布的面目標(biāo)，如星載雷達(dá)散射計(jì)對(duì)地面或海面后向雷達(dá)散射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的情況，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)直接決定于雷達(dá)天線(xiàn)波束照射足印的面積，波束掃描偏移引起發(fā)射和接收的波束照射足印偏移會(huì)引起收發(fā)雙程有效照射面積的減小，從而減小雷達(dá)回波功率的大小，降低系統(tǒng)測(cè)量的精度。當(dāng)波束掃描引起收發(fā)雙程增益減小的幅度不大，可以通過(guò)增大發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度；當(dāng)波束掃描引起的收發(fā)雙程增益減小的幅度較大時(shí)，則需要增加的發(fā)射功率很大，對(duì)于有嚴(yán)格功率限制的星載雷達(dá)，可能會(huì)成為嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題。特別是對(duì)于天線(xiàn)波束較窄、掃描速度較快的雷達(dá)，可能會(huì)發(fā)生收發(fā)波束完全不能重合覆蓋的情況，則雷達(dá)將不能接收到來(lái)自地面或海面的回波信號(hào)，造成雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法工作的嚴(yán)重后果。對(duì)于進(jìn)行快速掃描的筆形波束高分辨率真實(shí)孔徑雷達(dá)，如果采取措施減小或消除掃描引起的收發(fā)波束偏移，是必須解決的問(wèn)題。
下面以筆形波束圓錐掃描的真實(shí)孔徑雷達(dá)為例，對(duì)掃描引起的收發(fā)波束沿方位向(掃描方向)的偏移損耗進(jìn)行定量分析。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的討論，只討論一維方向圖(方位方向)的情況。不失一般性，此處假定天線(xiàn)的單程方位方向的功率方向圖為Gaussian函數(shù)，即(θ)=exp(-θ2ln2Δθ-3dB2)---(1)]]>式中Δθ-3dB＜＜2π是天線(xiàn)的半功率波束寬度。當(dāng)收發(fā)天線(xiàn)波束足印完全覆蓋時(shí)，天線(xiàn)的收發(fā)雙程功率方向圖為G2(θ)=G2(θ)=exp(-θ2·2ln2Δθ-3dB2)---(2)]]>如果天線(xiàn)波束掃描的角速度為ω，觀測(cè)距離為R(從天線(xiàn)到照射足印的距離)，則天線(xiàn)收發(fā)波束的掃描偏移為Δθ=2ωRc---(3)]]>式中c為電磁波的傳播速度，τ＝2R/c為收發(fā)延時(shí)。相應(yīng)的雙程功率方向圖為G2'(θ)=G(θ-Δθ/2)·G(θ+Δθ/2)=exp(-(θ2+Δθ24)·2ln2Δθ-3dB2)---(4)]]>等效照射面積為乘積曲線(xiàn)下面積。
所以?huà)呙枰鸬奶炀€(xiàn)雙程增益的損耗為L(zhǎng)s=G2'G2=exp(-Δθ2ln22Δθ-3dB2)---(5)]]>即Ls=exp(-ω2R2·2ln2c2Δθ-3dB2)---(6)]]>顯然，當(dāng)掃描偏移遠(yuǎn)大于天線(xiàn)波束寬度，即Δθ＞＞Δθ-3dB時(shí)，掃描偏移將造成收發(fā)雙程天線(xiàn)功率增益的大大減小。
根據(jù)公式(6)，決定掃描損耗的要素包括·天線(xiàn)的波束寬度Δθ-3dB波束寬度越寬，掃描損耗越小；·天線(xiàn)的掃描角速度ω掃描角速度越快，掃描損耗越大；·雷達(dá)的測(cè)量距離R距離越大，掃描偏移越大，掃描損耗越大。
對(duì)于從空間對(duì)地觀測(cè)的星載雷達(dá)，分辨率越高，波束寬度越窄，完成覆蓋所要求的掃描速度也越快，掃描偏移引起的損耗越大；軌道越高，則對(duì)于同樣的地面分辨率要求的波束寬度越窄，掃描損耗越大。
在陸基雷達(dá)散射計(jì)中通常采用窄波束發(fā)射、寬波束接收的方式，通過(guò)接收波束覆蓋發(fā)射波束以減小掃描或收發(fā)角度偏離引起的損耗，但這種方式是以犧牲接收天線(xiàn)的增益為代價(jià)的。在星載真實(shí)孔徑雷達(dá)中則主要通過(guò)降低軌道高度、犧牲角度分辨率或者降低覆蓋要求，盡量減小掃描偏移和相應(yīng)的收發(fā)偏移損耗。美國(guó)的QuickScat散射計(jì)衛(wèi)星的Seawinds雷達(dá)是在800km的軌道高度上實(shí)現(xiàn)50km的分辨率，對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)波束寬度為1.7~1.8度，掃描速度為18rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)，掃描損耗＜6dB。衛(wèi)星軌道升高時(shí)，要保持同樣的地面分辨率或獲得更高的地面分辨率，必須縮小天線(xiàn)波束寬度；為了實(shí)現(xiàn)覆蓋要求，則要求掃描的角速度提高，從而引起掃描損耗的增加。如果軌道高度從800km提高到960km，要保持50km的分辨率，波束寬度要減小為1.2~1.3度，掃描速度要增加為20rpm左右，如果采用收發(fā)同波束的體制，則掃描損耗將增加到10~12dB。
基于上述分析，對(duì)于高分辨率的星載掃描雷達(dá)，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，人們希望采取措施減小掃描損耗。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過(guò)收發(fā)雙波束天線(xiàn)體制消除或減小掃描損耗的星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案如下一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，如圖3所示，包括支架30，其上安裝有天線(xiàn)反射面31；其特征在于，還包括第一饋源32和第二饋源33處于所述反射面31的前方位置，所述第一饋源32和第二饋源33分別連接到一發(fā)射機(jī)36和一接收機(jī)37。
在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述第一饋源32為接收波束的饋源，所述第二饋源33為發(fā)射波束的饋源。
在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，如圖4所示，如果所述第一饋源32和第二饋源33與發(fā)射機(jī)36和接收機(jī)37之間需要射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，那么本實(shí)用新型的星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)還包括一用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和共用傳輸線(xiàn)的環(huán)形器34，環(huán)形器34與一收發(fā)開(kāi)關(guān)35連接，該收發(fā)開(kāi)關(guān)35分別與發(fā)射機(jī)36和接收機(jī)37相連實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)到天線(xiàn)的連接。
在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，第一饋源32的接收天線(xiàn)波束與第二饋源33的發(fā)射天線(xiàn)波束在沿掃描方向上以一定的夾角配置，以補(bǔ)償天線(xiàn)波束掃描產(chǎn)生的波束偏移所引起的掃描損耗(Scanning Loss)。
進(jìn)一步地，根據(jù)天線(xiàn)波束寬度、雷達(dá)測(cè)量距離和天線(xiàn)的掃描角速度，按如下公式計(jì)算天線(xiàn)收、發(fā)波束的指向偏移角Δθ=2ωRc]]>其中c為電磁波的傳播速度，ω為天線(xiàn)波束掃描的角速度，R為觀測(cè)距離(從天線(xiàn)到照射足印的距離)；進(jìn)一步地，對(duì)于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束的夾角等于波束指向的掃描偏移角，即Δβ＝Δθ，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描偏移及相應(yīng)損耗的補(bǔ)償；此處角度Δβ是接收波束和發(fā)射天線(xiàn)波束之間沿掃描方向的夾角；進(jìn)一步地，對(duì)于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束夾角滿(mǎn)足Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB，則可以減小掃描偏移及相應(yīng)損耗；Δθ-3dB是天線(xiàn)的半功率波束寬度；Δθ-3dB＜＜2π。
本實(shí)用新型根據(jù)天線(xiàn)波束寬度、測(cè)量距離(和對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲)及掃描角速度，在掃描的方向上配置收發(fā)雙波束，這兩個(gè)波束的指向有一定的角度，該角度將可以補(bǔ)償由于掃描引起的波束指向的偏移，從而可以消除或減小掃描引起的損耗。
本實(shí)用新型與已有的技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)1)通過(guò)對(duì)接收、發(fā)射天線(xiàn)(或其接收、發(fā)射波束)的指向角設(shè)計(jì)，消除或減小由于雷達(dá)天線(xiàn)掃描引起的波束偏移損耗，提高發(fā)射功率利用率，減小對(duì)發(fā)射功率的要求；2)可以實(shí)現(xiàn)在任意軌道、以任意角速度掃描的星載掃描雷達(dá)對(duì)地面、海面連續(xù)分布面目標(biāo)的高分辨率觀測(cè)，解決收發(fā)單波束天線(xiàn)星載雷達(dá)在軌道高度、掃描速度和地面分辨率之間的矛盾，可以實(shí)現(xiàn)星載雷達(dá)的高分辨率掃描測(cè)量。


圖1表示波束掃描引起的天線(xiàn)波束指向的偏移示意圖；圖2表示采用本實(shí)用新型雙波束減小波束掃描引起的偏移損耗示意圖；圖3和圖4表示本實(shí)用新型的星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)配置示意圖；圖5表示本實(shí)用新型的星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)一實(shí)施例的配置示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述為了便于理解本實(shí)用新型，圖2表示出本實(shí)用新型所提出的補(bǔ)償方法的原理示意，圖中方向S表示波束掃描方向，角度Δβ是接收波束和發(fā)射天線(xiàn)波束之間沿掃描方向的夾角，角度Δθ表示天線(xiàn)波束指向的掃描偏移，數(shù)字21表示發(fā)射時(shí)刻接收天線(xiàn)的地面足印，數(shù)字22表示發(fā)射時(shí)刻發(fā)射天線(xiàn)的地面足印，數(shù)字23表示接收時(shí)刻接收天線(xiàn)的地面足印。當(dāng)Δβ＝Δθ (7)時(shí)，波束掃描引起的偏移損耗可以被完全補(bǔ)償；當(dāng)|Δβ-Δθ|＜Δθ-3dB，即當(dāng)Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB(8)時(shí)，掃描損耗可以被部分補(bǔ)償。補(bǔ)償后的收發(fā)雙向天線(xiàn)功率方向圖和掃描損耗分別為G2'=G(θ)·G(θ+Δθ-Δβ)=exp(-(θ2+θ·(Δθ-Δβ)+(Δθ-Δβ)24)·2ln2Δθ-3dB2)---(9)]]>和
Ls=exp(-(4θ·(Δθ-Δβ)+(Δθ-Δβ)2)·ln22Δθ-3dB2)---(10)]]>根據(jù)天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)形式及波束掃描的方式，下面以?xún)煞N實(shí)施方式來(lái)介紹本實(shí)用新型。
(1)星載掃描雷達(dá)的雙波束機(jī)械掃描天線(xiàn)；對(duì)于采用機(jī)械掃描天線(xiàn)的星載掃描雷達(dá)，在雷達(dá)天線(xiàn)設(shè)計(jì)上采用雙波束設(shè)計(jì)，即發(fā)射和接收分別以具有固定夾角的兩個(gè)天線(xiàn)波束實(shí)現(xiàn)。天線(xiàn)一般采用雙波束分立饋源、共用反射面的形式。如圖5所示，在支架30上安裝有天線(xiàn)反射面31；第一饋源32和第二饋源33處于所述反射面31的前方位置，所述第一饋源32和第二饋源33分別連接到一用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和傳輸線(xiàn)共用的環(huán)形器34，環(huán)形器34與收發(fā)開(kāi)關(guān)35連接，收發(fā)開(kāi)關(guān)35分別與發(fā)射機(jī)36和接收機(jī)37相連實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)到天線(xiàn)的連接。在環(huán)行器34和收發(fā)開(kāi)關(guān)35之間連接一微波射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(RJ)38，用來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描的天線(xiàn)與固定的收發(fā)信道之間的連接。
根據(jù)天線(xiàn)波束寬度、雷達(dá)測(cè)量距離和天線(xiàn)的掃描角速度根據(jù)如下公式計(jì)算天線(xiàn)收發(fā)波束的指向偏移Δθ=2ωRc]]>其中c為電磁波的傳播速度，ω為天線(xiàn)波束掃描的角速度，R為觀測(cè)距離(從天線(xiàn)到照射足印的距離)。
對(duì)于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束夾角等于波束指向的掃描偏移，即Δβ＝Δθ，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描偏移及相應(yīng)損耗的補(bǔ)償；角度Δβ是接收波束和發(fā)射天線(xiàn)波束之間沿掃描方向的夾角。
對(duì)于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束夾角滿(mǎn)足Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB，則可以減小掃描偏移及相應(yīng)損耗；Δθ-3dB是天線(xiàn)的半功率波束寬度；Δθ-3dB＜＜2π。
(2)雙波束整機(jī)機(jī)械掃描天線(xiàn)；對(duì)于整機(jī)機(jī)械掃描的情況，天線(xiàn)與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間采取固定連接的方式，波束的掃描通過(guò)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的射頻部分在內(nèi)的整機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，天線(xiàn)與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不需要射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，天線(xiàn)饋源32和33到發(fā)射機(jī)36和接收機(jī)37之間不需要單路連接，則可以不需要環(huán)行器34和收發(fā)開(kāi)關(guān)35，即接收饋源32直接與接收機(jī)37連接，發(fā)射饋源33直接與發(fā)射機(jī)36連接，系統(tǒng)的配置為圖3所示。
根據(jù)天線(xiàn)波束寬度、雷達(dá)測(cè)量距離和天線(xiàn)的掃描角速度來(lái)確定接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束夾角，方法同上。
(3)收發(fā)雙波束電掃描或相控掃描天線(xiàn)；本實(shí)用新型對(duì)于采用相控陣或其它合成波束的天線(xiàn)，可以通過(guò)發(fā)射和接收時(shí)不同的天線(xiàn)陣陣元的幅度或相位配置，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收波束之間指向角的關(guān)系，使在接收時(shí)刻接收波束能夠指向發(fā)射時(shí)刻發(fā)射波束的指向位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)掃描偏移及其損耗的補(bǔ)償；結(jié)合上一實(shí)施例中機(jī)械掃描天線(xiàn)的雙波束設(shè)計(jì)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)電掃描或相控掃描天線(xiàn)的收發(fā)雙波束天線(xiàn)在接收時(shí)刻接收波束能夠指向發(fā)射時(shí)刻發(fā)射波束的指向位置。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，包括支架(30)，其上安裝有天線(xiàn)反射面(31)；其特征在于，還包括第一饋源(32)和第二饋源(33)處于所述反射面(31)的前方位置，所述第一饋源(32)和第二饋源(33)分別連接到一發(fā)射機(jī)(36)和一接收機(jī)(37)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，其特征在于，所述第一饋源(32)為接收波束的饋源，所述第二饋源(33)為發(fā)射波束的饋源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，其特征在于，還包括一用來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和共用傳輸線(xiàn)的環(huán)形器(34)，所述環(huán)形器(34)與一收發(fā)開(kāi)關(guān)(35)連接，該收發(fā)開(kāi)關(guān)(35)分別與所述發(fā)射機(jī)(36)和所述接收機(jī)(37)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任一項(xiàng)所述星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，其特征在于，所述第一饋源(32)的接收天線(xiàn)波束與所述第二饋源(33)的發(fā)射天線(xiàn)波束在沿掃描方向上有一夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，其特征在于，對(duì)于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束的所述夾角等于波束指向的掃描偏移角，該天線(xiàn)收、發(fā)波束的指向偏移角為Δθ=2ωRc]]>其中c為電磁波的傳播速度，ω為天線(xiàn)波束掃描的角速度，R為觀測(cè)距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)，其特征在于，對(duì)于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線(xiàn)波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線(xiàn)波束的夾角Δβ滿(mǎn)足Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB；其中Δθ-3dB是天線(xiàn)的半功率波束寬度，且Δθ-3dB＜＜2π，Δθ為天線(xiàn)收、發(fā)波束的指向偏移角。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)。該星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線(xiàn)包括支架，第一饋源和第二饋源分別連接到一發(fā)射機(jī)和一接收機(jī)；第一饋源的接收天線(xiàn)波束與第二饋源的發(fā)射天線(xiàn)波束在沿掃描方向上以一定的夾角配置。本實(shí)用新型消除或減小了由于雷達(dá)天線(xiàn)掃描引起的波束偏移損耗，可以實(shí)現(xiàn)星載雷達(dá)的高分辨率掃描測(cè)量。
文檔編號(hào)H01Q3/24GK2884561SQ200620004369
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者董曉龍, 孫波, 陳天辰, 劉和光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心