王進(jìn)凱，秦順友，杜曉恒

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

天氣雷達(dá)用于天氣過程的測量和預(yù)報，對臺風(fēng)、暴雨、冰雹、暴風(fēng)雪等自然災(zāi)害能提供較準(zhǔn)確的預(yù)報［1］。雷達(dá)饋線是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是將雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率傳輸給雷達(dá)天線，然后將微弱的反射信號經(jīng)雷達(dá)天線接收，由饋線傳輸給接收機(jī)［2］?，F(xiàn)在隨著現(xiàn)代氣象雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了天氣雷達(dá)天線技術(shù)的技術(shù)快速發(fā)展，新一代S波段氣象雷達(dá)天線系統(tǒng)指標(biāo)要求也在不斷提高，如要求天線低副瓣、低電壓駐波比、饋線傳輸損耗小、高功率傳輸和高密封等［3］［4］。因此，雷達(dá)饋線設(shè)計是非常重要的。鑒于S波段8.54m氣象雷達(dá)系統(tǒng)要求饋線電壓駐波比小，功率傳輸損耗小，功率容量大的特點(diǎn)，筆者在總結(jié)多年工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用高密封扼流法蘭低損耗鋁制傳輸矩形波導(dǎo)、扭波導(dǎo)、波導(dǎo)彎頭、波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計S波段8.54m天氣雷達(dá)饋線。實(shí)踐證明：該方案是切實(shí)可行的，在實(shí)際工程已獲得了廣泛應(yīng)用。

1 S波段氣象雷達(dá)天線基本特性

S波段8.54m天氣雷達(dá)天線為前饋拋物面天線，它主要由天線反射器、饋源支架、波導(dǎo)饋線、天線座及伺服控制等幾部分組成。天氣雷達(dá)信號傳輸部分是由天線和饋線共同完成，饋線系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成部分，無論是設(shè)計還是加工，都有較高的要求。表1給出8.54m天氣雷達(dá)天線饋線的主要技術(shù)指標(biāo)。

2 氣象雷達(dá)天線饋線設(shè)計與分析

2.1 饋線設(shè)計原則

氣象雷達(dá)饋線設(shè)計應(yīng)依據(jù)天線設(shè)備的實(shí)際情況，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。一般情況下，雷達(dá)饋線系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

第一是饋線形式選擇：雷達(dá)常用的饋線有同軸傳輸線、矩形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)傳輸線［5］［6］。同軸傳輸線常用于饋線較短的場所，傳輸主模為TEM波，其優(yōu)點(diǎn)是易彎曲，設(shè)計簡單，缺點(diǎn)是損耗大，功率容量??；橢圓波導(dǎo)常用于大長度傳輸，主模為TE11模，易彎曲，但外形不利于安裝和固定，傳輸損耗比較大；矩形波導(dǎo)用于饋線較長，傳輸主模為TE10模，其優(yōu)點(diǎn)是損耗小，功率容量大，缺點(diǎn)不能彎曲，但是可利用波導(dǎo)彎頭、扭波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)彎曲。由于氣象雷達(dá)天線要求饋線損耗小，大功率傳輸，矩形波導(dǎo)是最佳選擇；另外，依據(jù)天線工作頻率要求，選定的波導(dǎo)型號為BJ32；

第二是饋線長度設(shè)計。雷達(dá)饋線的主要指標(biāo)是插入損耗和電壓駐波比。饋線的長短直接影響?zhàn)伨€插入損耗的大小。因此設(shè)計饋線時 ，饋線走線要科學(xué)合理的布局，盡量減小饋線的長度，確保饋線損耗滿足指標(biāo)要求；另外，饋線越短，其電壓駐波比越方便設(shè)計和調(diào)試；再者就是在矩形波導(dǎo)饋線內(nèi)部鍍銀，以增強(qiáng)反射，并減小反射損耗；

第三是饋線強(qiáng)度設(shè)計。饋線在安裝、運(yùn)輸及工作中要有一定的強(qiáng)度和韌性，防止雷達(dá)饋線因強(qiáng)度不夠引起饋線變形，從而造成饋線指標(biāo)變差，或安裝不到位等問題。

第四是饋線轉(zhuǎn)動和密封性設(shè)計。饋線轉(zhuǎn)動和密封設(shè)計是波導(dǎo)饋線設(shè)計非常重要的兩部分。新一代天氣雷達(dá)分布在全國的各個地區(qū)，尤其對沿海和高原地帶，饋線系統(tǒng)在工作時，對波導(dǎo)及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的漏氣、進(jìn)水和鹽堿等要求更加嚴(yán)格。主要目的是保證饋線系統(tǒng)正常的工作在大功率高密封狀態(tài)下，防止高壓打火造成的損壞。所以饋線系統(tǒng)中每個器件都要經(jīng)過內(nèi)部鍍銀工藝處理，尤其是大功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它是波導(dǎo)饋線關(guān)鍵的微波器件。天氣雷達(dá)在工作狀態(tài)時在不斷的轉(zhuǎn)動，還要不間斷的發(fā)射和接收信號，所以大功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和饋線密封設(shè)計是非常重要的。

依據(jù)以上設(shè)計原則，設(shè)計S波段8.54m天氣雷達(dá)的波導(dǎo)饋線，如圖1所示。由圖1可知：整個饋線系統(tǒng)包括饋源喇叭、BJ32直波導(dǎo)、扭波導(dǎo)、彎波導(dǎo)、軟波導(dǎo)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，其中包括BJ32波導(dǎo)段（直波導(dǎo)、扭波導(dǎo)和彎波導(dǎo)）、一段BJ32軟波導(dǎo)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）。圖2所示為波導(dǎo)饋線安裝后天線。

圖1 饋線系統(tǒng)設(shè)計示意圖

圖2 安裝后S波段天氣雷達(dá)饋線圖

2.2 饋線性能估算

天線饋線的主要技術(shù)指標(biāo)是電壓駐波比和插入損耗，這里簡要分析波導(dǎo)饋線電壓駐波比和插入損耗的估算方法。

饋線電壓駐波比的估算：利用波導(dǎo)饋線各段的電壓駐波比，可以分析估算饋線系統(tǒng)駐波比的大?。?］［8］。饋線反射系數(shù)Г與電壓駐波比VSWR的關(guān)系為：

由圖1的波導(dǎo)饋線系統(tǒng)可看出：波導(dǎo)部分可大致分為三段，即饋源喇叭與俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)波導(dǎo)段、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之間波導(dǎo)段、方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)之間波段。饋源喇叭駐波比為1.08，反射系數(shù)為0.03846；波導(dǎo)段駐波比為1.03，反射系數(shù)為0.01478；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電壓駐波比為1.10，反射系數(shù)為0.04762。假設(shè)在最壞情況下，饋線總反射系數(shù)等于各部分發(fā)射系數(shù)同相相加，則可求出饋線系統(tǒng)的電壓駐波比為1.433，滿足饋線系統(tǒng)電壓駐波比要求。

饋線損耗的估算：饋線系統(tǒng)損耗由饋源喇叭損耗、金屬波導(dǎo)傳輸線損耗、波導(dǎo)法蘭損耗、軟波導(dǎo)損耗、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)損耗組成。金屬波導(dǎo)主模傳輸時單位長度的損耗為［9］［10］：

式中：αc為矩形波導(dǎo)單位長度的衰減；Rs為波導(dǎo)表面電阻；λ為工作波長；a為矩形波導(dǎo)寬邊尺寸；b為矩形波導(dǎo)窄邊尺寸。

利用式（2）可計算頻率為3GHz時，BJ32鋁波導(dǎo)損耗為0.02437dB／m，圖1所示的饋線系統(tǒng)矩形波導(dǎo)總長度為14.452m，則波導(dǎo)總損耗為0.352dB；饋線系統(tǒng)內(nèi)包含了17個波導(dǎo)法蘭，每個波導(dǎo)法蘭損耗0.015dB，波導(dǎo)法蘭總損耗0.255dB；饋線系統(tǒng)包含兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的損耗為0.1dB，共0.2dB；饋線系統(tǒng)包含一段軟波導(dǎo)，其損耗為0.11dB。則饋線系統(tǒng)總損耗等于波導(dǎo)損耗、波導(dǎo)法蘭損耗和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)損耗的總和，計算可得饋線系統(tǒng)的總損耗為0.917dB。滿足饋線系統(tǒng)技術(shù)要求。

3 饋線性能測量

這里介紹饋線電壓駐波比和插入損耗測量原理和方法。圖3為饋線電壓駐波比VSWR測量的原理方框圖。

圖3 天線饋線電壓駐波比測量的原理方框圖

利用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量饋線電壓駐波比的原理方法是：首先，按照圖4所示，建立駐波比測試系統(tǒng)，系統(tǒng)加電預(yù)熱使系統(tǒng)儀器設(shè)備工作正常，合理設(shè)置標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的狀態(tài)參數(shù)，在波導(dǎo)定向耦合器輸出端口接短路器，對標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行定標(biāo)；然后，去掉短路器，接待測饋線，利用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可直接測量出饋線駐波比大小，打印機(jī)輸出測量結(jié)果。

圖4所示，為S波段天氣雷達(dá)天線饋線電壓駐波比測量結(jié)果。由圖4可知：在2.7－3.0GHz頻段內(nèi)，測量的電壓駐波比VSWR≤1.438，滿足天線饋線設(shè)計技術(shù)要求。

圖4 饋線系統(tǒng)電壓駐波比VSWR測量結(jié)果

圖5為饋線插入損耗測量原理框圖。

圖5 饋線系統(tǒng)插入損耗測量原理方框圖

利用標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量饋線插入損耗的原理方法是：首先，按照圖6所示，建立駐波比測試系統(tǒng)，在不接待測饋線情況下，對標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行直通定標(biāo)；然后，接入待測饋線，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可直接測量出饋線插入損耗的大小。S波段天氣雷達(dá)天線饋線插入損耗測量結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：在2.7－3.0GHz頻段內(nèi)，測量的插入損耗IL≤0.85dB，滿足天線饋線設(shè)計技術(shù)要求。

圖6 饋線系統(tǒng)插入損耗實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)束語

饋線是天氣雷達(dá)系統(tǒng)的重要設(shè)備。本文以S波段天氣雷達(dá)饋線設(shè)計為例，簡述了饋線設(shè)計原則，介紹了饋線插入損耗和電壓駐波比的估算方法，最后介紹饋線參數(shù)測量原理和方法。該文對于饋線設(shè)計與測量具有重要參考價值。

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