專利名稱：一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線的制作方法
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。
背景技術(shù)：
星載雷達(dá)是一種重要的對地觀測儀器，通過雷達(dá)天線波束的掃描實(shí)現(xiàn)對觀測刈幅范圍內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行測量與成像是一種常用的測量方法。在現(xiàn)有技術(shù)中，雷達(dá)天線與所觀測的目標(biāo)或區(qū)域之間的距離引起雷達(dá)收到的目標(biāo)回波信號到達(dá)時間與雷達(dá)發(fā)射信號的時間之間有一定的延遲。經(jīng)過這一延遲，進(jìn)行掃描的雷達(dá)天線的波束方向或照射區(qū)域會發(fā)生偏移，即發(fā)射時刻雷達(dá)波束在地面或海面的照射足印與接收時刻雷達(dá)波束的照射足印會發(fā)生偏離。如圖1所示，方向S表示波束掃描方向，數(shù)字10表示接收時刻天線地面足印，數(shù)字11表示發(fā)射時刻天線地面足印，數(shù)字12表示收發(fā)波束重合足印，兩個時刻的天線地面足印不能完全覆蓋，造成天線的收發(fā)雙程增益下降。
對于點(diǎn)目標(biāo)，只要在收發(fā)延遲時間內(nèi)，目標(biāo)沒有移出天線波束的照射范圍，則雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波強(qiáng)度不會發(fā)生變化，天線波束的掃描損耗對雷達(dá)的測量不產(chǎn)生影響；當(dāng)所測量的目標(biāo)是連續(xù)分布的面目標(biāo)，如星載雷達(dá)散射計(jì)對地面或海面后向雷達(dá)散射系數(shù)進(jìn)行測量的情況，雷達(dá)接收到的回波信號直接決定于雷達(dá)天線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，可以通過增大發(fā)射功率來進(jìn)行彌補(bǔ)，以保證系統(tǒng)的測量精度；當(dāng)波束掃描引起的收發(fā)雙程增益減小的幅度較大時，則需要增加的發(fā)射功率很大，對于有嚴(yán)格功率限制的星載雷達(dá)，可能會成為嚴(yán)重的技術(shù)問題。特別是對于天線波束較窄、掃描速度較快的雷達(dá)，可能會發(fā)生收發(fā)波束完全不能重合覆蓋的情況，則雷達(dá)將不能接收到來自地面或海面的回波信號，造成雷達(dá)系統(tǒng)無法工作的嚴(yán)重后果。對于進(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，是必須解決的問題。
下面以筆形波束圓錐掃描的真實(shí)孔徑雷達(dá)為例，對掃描引起的收發(fā)波束沿方位向(掃描方向)的偏移損耗進(jìn)行定量分析。為了簡化問題的討論，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是天線的半功率波束寬度。當(dāng)收發(fā)天線波束足印完全覆蓋時，天線的收發(fā)雙程功率方向圖為G2(θ)=G2(θ)=exp(-θ2·2ln2Δθ-3dB2)---(2)]]>如果天線波束掃描的角速度為ω，觀測距離為R(從天線到照射足印的距離)，則天線收發(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。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下面積。
所以掃描引起的天線雙程增益的損耗為Ls=G2'G2=exp(-Δθ2ln22Δθ-3dB2)---(5)]]>即Ls=exp(-ω2R2·2ln2c2Δθ-3dB2)---(6)]]>顯然，當(dāng)掃描偏移遠(yuǎn)大于天線波束寬度，即Δθ＞＞Δθ-3dB時，掃描偏移將造成收發(fā)雙程天線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·天線的波束寬度Δθ-3dB波束寬度越寬，掃描損耗越??；·天線的掃描角速度ω掃描角速度越快，掃描損耗越大；·雷達(dá)的測量距離R距離越大，掃描偏移越大，掃描損耗越大。
對于從空間對地觀測的星載雷達(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的增益為代價的。在星載真實(shí)孔徑雷達(dá)中則主要通過降低軌道高度、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，對應(yīng)的天線波束寬度為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，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，對于高分辨率的星載掃描雷達(dá)，針對現(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，提供一種通過收發(fā)雙波束天線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。
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，如圖3所示，包括支架30，其上安裝有天線反射面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)雙波束天線還包括一用來實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和共用傳輸線的環(huán)形器34，環(huán)形器34與一收發(fā)開關(guān)35連接，該收發(fā)開關(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)射信號和接收信號到天線的連接。
在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，第一饋源32的接收天線波束與第二饋源33的發(fā)射天線波束在沿掃描方向上以一定的夾角配置，以補(bǔ)償天線波束掃描產(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)天線波束寬度、雷達(dá)測量距離和天線的掃描角速度，按如下公式計(jì)算天線收、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為天線波束掃描的角速度，R為觀測距離(從天線到照射足印的距離)；進(jìn)一步地，對于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線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)射天線波束之間沿掃描方向的夾角；進(jìn)一步地，對于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線波束夾角滿足Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB，則可以減小掃描偏移及相應(yīng)損耗；Δθ-3dB是天線的半功率波束寬度；Δθ-3dB＜＜2π。
本實(shí)用新型根據(jù)天線波束寬度、測量距離(和對應(yīng)的時間延遲)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)通過對接收、發(fā)射天線(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)天線掃描引起的波束偏移損耗，提高發(fā)射功率利用率，減小對發(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)對地面、海面連續(xù)分布面目標(biāo)的高分辨率觀測，解決收發(fā)單波束天線星載雷達(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)的高分辨率掃描測量。


圖1表示波束掃描引起的天線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)射天線波束之間沿掃描方向的夾角，角度Δθ表示天線波束指向的掃描偏移，數(shù)字21表示發(fā)射時刻接收天線的地面足印，數(shù)字22表示發(fā)射時刻發(fā)射天線的地面足印，數(shù)字23表示接收時刻接收天線的地面足印。當(dāng)Δβ＝Δθ (7)時，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，掃描損耗可以被部分補(bǔ)償。補(bǔ)償后的收發(fā)雙向天線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)天線的實(shí)現(xiàn)形式及波束掃描的方式，下面以兩種實(shí)施方式來介紹本實(shí)用新型。
(1)星載掃描雷達(dá)的雙波束機(jī)械掃描天線；對于采用機(jī)械掃描天線的星載掃描雷達(dá)，在雷達(dá)天線設(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天線波束實(shí)現(xiàn)。天線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分別連接到一用來實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和傳輸線共用的環(huán)形器34，環(huán)形器34與收發(fā)開關(guān)35連接，收發(fā)開關(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)射信號和接收信號到天線的連接。在環(huán)行器34和收發(fā)開關(guān)35之間連接一微波射頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(RJ)38，用來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)掃描的天線與固定的收發(fā)信道之間的連接。
根據(jù)天線波束寬度、雷達(dá)測量距離和天線的掃描角速度根據(jù)如下公式計(jì)算天線收發(fā)波束的指向偏移Δθ=2ωRc]]>其中c為電磁波的傳播速度，ω為天線波束掃描的角速度，R為觀測距離(從天線到照射足印的距離)。
對于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線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)射天線波束之間沿掃描方向的夾角。
對于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線波束夾角滿足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；對于整機(jī)機(jī)械掃描的情況，天線與發(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)天線波束寬度、雷達(dá)測量距離和天線的掃描角速度來確定接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線波束夾角，方法同上。
(3)收發(fā)雙波束電掃描或相控掃描天線；本實(shí)用新型對于采用相控陣或其它合成波束的天線，可以通過發(fā)射和接收時不同的天線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，使在接收時刻接收波束能夠指向發(fā)射時刻發(fā)射波束的指向位置，以實(shí)現(xiàn)對天線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的收發(fā)雙波束天線在接收時刻接收波束能夠指向發(fā)射時刻發(fā)射波束的指向位置。
最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本實(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，包括支架(30)，其上安裝有天線反射面(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，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，其特征在于，還包括一用來實(shí)現(xiàn)收發(fā)分離和共用傳輸線的環(huán)形器(34)，所述環(huán)形器(34)與一收發(fā)開關(guān)(35)連接，該收發(fā)開關(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，其特征在于，所述第一饋源(32)的接收天線波束與所述第二饋源(33)的發(fā)射天線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，其特征在于，對于固定掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線波束的所述夾角等于波束指向的掃描偏移角，該天線收、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為天線波束掃描的角速度，R為觀測距離。
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，其特征在于，對于變掃描角速度的星載掃描雷達(dá)，接收天線波束沿掃描方向滯后發(fā)射天線波束的夾角Δβ滿足Δθ-Δθ-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ-3dB；其中Δθ-3dB是天線的半功率波束寬度，且Δθ-3dB＜＜2π，Δθ為天線收、發(fā)波束的指向偏移角。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線。該星載掃描雷達(dá)收發(fā)雙波束天線包括支架，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波束與第二饋源的發(fā)射天線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)的高分辨率掃描測量。
文檔編號H01Q3/24GK2884561SQ200620004369
公開日2007年3月28日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心