主頁（http://www.130131.com）：一種新型五極化天氣雷達(dá)天線饋線系統(tǒng)方案

    摘要：天氣雷達(dá)目前正在向多極化采集信息方向發(fā)展，本文提出一種通過“五極化轉(zhuǎn)換開關(guān)組合”方便實(shí)現(xiàn)五種極化工作模式的新型五極化雙通道天氣雷達(dá)天線饋線系統(tǒng)方案。并給出一個(gè)C-BAND3.2米設(shè)計(jì)實(shí)例，表明本設(shè)計(jì)方案是新穎可行的。
    關(guān)鍵字：電動(dòng)五極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，取樣耦合器、環(huán)行器，大功率負(fù)載，正交模耦合器，多模饋源，低副瓣天線。

1.) 概述
    天氣雷達(dá)的目標(biāo)信息是非常復(fù)雜的，且不同極化的信息收集與信息分析是進(jìn)一步提高天氣雷達(dá)性能的關(guān)鍵。多極化信息處理是新型多普勒天氣雷達(dá)的重要特點(diǎn)。本文提出一種新型五極化天氣雷達(dá)天線饋線系統(tǒng)，雷達(dá)只用一臺(tái)發(fā)射機(jī)和恒達(dá)專門研制的電動(dòng)五極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)便可以實(shí)現(xiàn)五種不同極化工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 即水平極化發(fā)射、垂直極化發(fā)射、水平極化和垂直極化同時(shí)發(fā)射、左旋圓極化發(fā)射、右旋圓極化發(fā)射等五種極化發(fā)射狀態(tài)。而且在這五種不同極化發(fā)射的工作模式下，接收機(jī)可以水平和垂直極化分別接收也可以同時(shí)接收目標(biāo)回波。該天饋系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：大功率、低損耗、雙通道、多極化狀態(tài)可方便轉(zhuǎn)換、高的極化隔離、低的副瓣電平和高的可靠性等。
2.) 問題的提出
    天氣環(huán)境是地球及周邊乃至宇宙各種天象與人為因素而綜合的氣象結(jié)果。對(duì)于局部地區(qū)來說，天氣的變化可謂瞬息萬變。工業(yè)農(nóng)業(yè)、交通旅游、航海航空、航天軍事、人類的生活生存、地球的演變與未來的預(yù)知，都離不開對(duì)氣象的研究。世界各國也都在氣象上面花很大的投入來研究。 天氣雷達(dá)是建立在云雨風(fēng)霧等近地空間氣象物體對(duì)微波信號(hào)的后向反射特性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。越來越多的研究表明，天氣雷達(dá)目標(biāo)的后向反射特性是一個(gè)非常復(fù)雜的參數(shù)，隨著它特殊的成分和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是非常難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)分析模型來處理的。因此獲得更多頻率、更多極化的目標(biāo)反射數(shù)據(jù)是進(jìn)一步研究目標(biāo)特性的基礎(chǔ)。本文正是應(yīng)這種需求，為多極化天氣雷達(dá)的設(shè)計(jì)提供一種新型、新穎、可行且易實(shí)現(xiàn)的方案。 
3.) 五極化天線饋線方案設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)五極化狀態(tài)發(fā)射的要求，天線饋線系統(tǒng)可以采用單通道傳輸方式也可以采用雙通道傳輸方式。但是，本雷達(dá)除要求實(shí)行五極化狀態(tài)發(fā)射的要求外，還要求兩路正交的接收機(jī)在五種極化狀態(tài)下可以同時(shí)或分別接收目標(biāo)回波信號(hào)，以此獲得更多的信息。因此，本天線饋線系統(tǒng)就只得采用雙通道傳輸系統(tǒng)的方案。
    為此，我們專門設(shè)計(jì)了一個(gè)五極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)組件，通過雙通道傳輸、雙極化輻射天線系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)五極化天線饋線的方案。天線饋線系統(tǒng)原理圖如下頁圖1所示。
4.) 五極化天線饋線方案原理說明
    雙通道五極化天氣雷達(dá)天線饋線系統(tǒng)，由發(fā)射機(jī)保護(hù)裝置、發(fā)射機(jī)和饋線天線監(jiān)測(cè)檢測(cè)裝置、饋電裝置、極化轉(zhuǎn)換裝置和雙極化天線等組成。
    雷達(dá)發(fā)射機(jī)保護(hù)裝置是由三端口環(huán)行器和大功率負(fù)載組成。 用以保護(hù)可能來自饋線天線的非正常大反射，對(duì)發(fā)射機(jī)起保護(hù)作用。 
 
    發(fā)射機(jī)和饋線天線監(jiān)測(cè)檢測(cè)裝置由多個(gè)耦合器、波導(dǎo)開關(guān)、假負(fù)載和監(jiān)測(cè)儀器來實(shí)現(xiàn)。常用監(jiān)測(cè)儀器有脈沖功率計(jì)、頻譜儀、檢波器和示波器。為了同時(shí)監(jiān)測(cè)各種信號(hào)，取樣耦合器可以有3-6個(gè)甚至更多，耦合方向有正向和反向。正向監(jiān)測(cè)發(fā)射信號(hào)，反向監(jiān)測(cè)來自饋線天線的反射信號(hào)即監(jiān)測(cè)饋線天線的系統(tǒng)駐波比。當(dāng)天線饋線發(fā)生非正常故障時(shí)，反射信號(hào)會(huì)有特變。耦合器可以定向檢測(cè)出回波損耗、兩路信號(hào)的傳輸損耗、相位一致性用以輔助判斷饋線系統(tǒng)的工作正常與否， 并監(jiān)測(cè)排除效果。波導(dǎo)開關(guān)用于控制雷達(dá)處于實(shí)際工作狀態(tài)或發(fā)射機(jī)檢測(cè)工作狀態(tài)（將發(fā)射機(jī)信號(hào)打向假負(fù)載方向）。
    饋線系統(tǒng)的饋電裝置是由連接三極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和雙極化饋源之間的兩個(gè)通道的元器件組成。其中包括四端口環(huán)行器、TR放電管、限幅器組成的收發(fā)雙工器、雙通道方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、取樣耦合器和不同長(zhǎng)度的直、彎、扭波導(dǎo)等組成。方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是整個(gè)系統(tǒng)在方位和俯仰方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)能正常饋電到天線的重要器件，取樣耦合器可以測(cè)試或檢測(cè)兩路信號(hào)的傳輸損耗、相位一致性、輔助判斷饋線系統(tǒng)的工作正常與否。
    極化轉(zhuǎn)換裝置是由恒達(dá)公司特殊設(shè)計(jì)的五極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)組件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)射機(jī)信號(hào)被開關(guān)轉(zhuǎn)到水平極化時(shí)，發(fā)射信號(hào)通過H通道傳輸?shù)教炀�H極化輻射；當(dāng)發(fā)射機(jī)被開關(guān)轉(zhuǎn)到垂直極化時(shí)，發(fā)射信號(hào)通過V通道傳輸?shù)教炀�V極化輻射；當(dāng)發(fā)射機(jī)被開關(guān)轉(zhuǎn)換到H、V雙極化時(shí)，發(fā)射信號(hào)被等幅同相通過H通道和V通道傳輸?shù)教炀�H和V極化同時(shí)輻射；此時(shí)實(shí)際輻射的是45°斜極化波。當(dāng)發(fā)射機(jī)被開關(guān)轉(zhuǎn)到左旋或右旋圓極化時(shí)，發(fā)射信號(hào)被等幅正交通過H通道和V通道傳輸?shù)教炀�H和V極化輻射；電磁波相位差+90°時(shí)，實(shí)際輻射的是左旋圓極化波；當(dāng)兩個(gè)極化的電磁波相位差-90°時(shí)，實(shí)際輻射的是右旋圓極化波；從而實(shí)現(xiàn)了水平極化、垂直極化、45°斜極化、左旋圓極化波、右旋圓極化五種極化狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 在五種極化狀態(tài)下，H、V 兩路接收機(jī)均可以分別接收或同時(shí)接收回波信號(hào)。

    由于采用恒達(dá)公司發(fā)明的“五極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)組件”,大大的縮小了饋線的排布體積，同時(shí)也更好的解決了兩路信號(hào)傳輸?shù)姆�度、相位一致性問題，使得操作更加簡(jiǎn)便。
5.) 一個(gè)C波段五極化天線饋線系統(tǒng)的實(shí)例 
    已經(jīng)研制出一臺(tái)C波段五極化天線饋線系統(tǒng)的實(shí)例，該天線饋線的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄如表1。實(shí)測(cè)天線方向圖如圖2 所示。本文所用符號(hào)說明也在表1中列出。

表一