S波段气象雷达天线馈线设计与测量

2015-05-08王进凯秦顺友杜晓恒

河北省科学院学报 2015年1期

王进凯，秦顺友，杜晓恒

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081）

天气雷达用于天气过程的测量和预报，对台风、暴雨、冰雹、暴风雪等自然灾害能提供较准确的预报［1］。雷达馈线是雷达系统的关键设备之一，其作用是将雷达发射机的输出功率传输给雷达天线，然后将微弱的反射信号经雷达天线接收，由馈线传输给接收机［2］。现在随着现代气象雷达技术的发展，促进了天气雷达天线技术的技术快速发展，新一代S波段气象雷达天线系统指标要求也在不断提高，如要求天线低副瓣、低电压驻波比、馈线传输损耗小、高功率传输和高密封等［3］［4］。因此，雷达馈线设计是非常重要的。鉴于S波段8.54m气象雷达系统要求馈线电压驻波比小，功率传输损耗小，功率容量大的特点，笔者在总结多年工程经验的基础上，提出了运用高密封扼流法兰低损耗铝制传输矩形波导、扭波导、波导弯头、波导旋转关节设计S波段8.54m天气雷达馈线。实践证明：该方案是切实可行的，在实际工程已获得了广泛应用。

1 S波段气象雷达天线基本特性

S波段8.54m天气雷达天线为前馈抛物面天线，它主要由天线反射器、馈源支架、波导馈线、天线座及伺服控制等几部分组成。天气雷达信号传输部分是由天线和馈线共同完成，馈线系统是雷达的重要组成部分，无论是设计还是加工，都有较高的要求。表1给出8.54m天气雷达天线馈线的主要技术指标。

2 气象雷达天线馈线设计与分析

2.1 馈线设计原则

气象雷达馈线设计应依据天线设备的实际情况，进行优化设计。一般情况下，雷达馈线系统设计应遵循以下原则：

第一是馈线形式选择：雷达常用的馈线有同轴传输线、矩形波导和椭圆波导传输线［5］［6］。同轴传输线常用于馈线较短的场所，传输主模为TEM波，其优点是易弯曲，设计简单，缺点是损耗大，功率容量小；椭圆波导常用于大长度传输，主模为TE11模，易弯曲，但外形不利于安装和固定，传输损耗比较大；矩形波导用于馈线较长，传输主模为TE10模，其优点是损耗小，功率容量大，缺点不能弯曲，但是可利用波导弯头、扭波导实现波导弯曲。由于气象雷达天线要求馈线损耗小，大功率传输，矩形波导是最佳选择；另外，依据天线工作频率要求，选定的波导型号为BJ32；

第二是馈线长度设计。雷达馈线的主要指标是插入损耗和电压驻波比。馈线的长短直接影响馈线插入损耗的大小。因此设计馈线时，馈线走线要科学合理的布局，尽量减小馈线的长度，确保馈线损耗满足指标要求；另外，馈线越短，其电压驻波比越方便设计和调试；再者就是在矩形波导馈线内部镀银，以增强反射，并减小反射损耗；

第三是馈线强度设计。馈线在安装、运输及工作中要有一定的强度和韧性，防止雷达馈线因强度不够引起馈线变形，从而造成馈线指标变差，或安装不到位等问题。

第四是馈线转动和密封性设计。馈线转动和密封设计是波导馈线设计非常重要的两部分。新一代天气雷达分布在全国的各个地区，尤其对沿海和高原地带，馈线系统在工作时，对波导及旋转关节的漏气、进水和盐碱等要求更加严格。主要目的是保证馈线系统正常的工作在大功率高密封状态下，防止高压打火造成的损坏。所以馈线系统中每个器件都要经过内部镀银工艺处理，尤其是大功率旋转关节，它是波导馈线关键的微波器件。天气雷达在工作状态时在不断的转动，还要不间断的发射和接收信号，所以大功率旋转关节和馈线密封设计是非常重要的。

依据以上设计原则，设计S波段8.54m天气雷达的波导馈线，如图1所示。由图1可知：整个馈线系统包括馈源喇叭、BJ32直波导、扭波导、弯波导、软波导和旋转关节组成，其中包括BJ32波导段（直波导、扭波导和弯波导）、一段BJ32软波导和两个旋转关节（方位旋转关节和俯仰旋转关节）。图2所示为波导馈线安装后天线。

图1 馈线系统设计示意图

图2 安装后S波段天气雷达馈线图

2.2 馈线性能估算

天线馈线的主要技术指标是电压驻波比和插入损耗，这里简要分析波导馈线电压驻波比和插入损耗的估算方法。

馈线电压驻波比的估算：利用波导馈线各段的电压驻波比，可以分析估算馈线系统驻波比的大小［7］［8］。馈线反射系数Г与电压驻波比VSWR的关系为：

由图1的波导馈线系统可看出：波导部分可大致分为三段，即馈源喇叭与俯仰旋转关节波导段、俯仰旋转关节与方位旋转关节之间波导段、方位旋转关节与发射机或接收机之间波段。馈源喇叭驻波比为1.08，反射系数为0.03846；波导段驻波比为1.03，反射系数为0.01478；旋转关节电压驻波比为1.10，反射系数为0.04762。假设在最坏情况下，馈线总反射系数等于各部分发射系数同相相加，则可求出馈线系统的电压驻波比为1.433，满足馈线系统电压驻波比要求。

馈线损耗的估算：馈线系统损耗由馈源喇叭损耗、金属波导传输线损耗、波导法兰损耗、软波导损耗、旋转关节损耗组成。金属波导主模传输时单位长度的损耗为［9］［10］：

式中：αc为矩形波导单位长度的衰减；Rs为波导表面电阻；λ为工作波长；a为矩形波导宽边尺寸；b为矩形波导窄边尺寸。

利用式（2）可计算频率为3GHz时，BJ32铝波导损耗为0.02437dB／m，图1所示的馈线系统矩形波导总长度为14.452m，则波导总损耗为0.352dB；馈线系统内包含了17个波导法兰，每个波导法兰损耗0.015dB，波导法兰总损耗0.255dB；馈线系统包含两个旋转关节，每个旋转关节的损耗为0.1dB，共0.2dB；馈线系统包含一段软波导，其损耗为0.11dB。则馈线系统总损耗等于波导损耗、波导法兰损耗和旋转关节损耗的总和，计算可得馈线系统的总损耗为0.917dB。满足馈线系统技术要求。

3 馈线性能测量

这里介绍馈线电压驻波比和插入损耗测量原理和方法。图3为馈线电压驻波比VSWR测量的原理方框图。

图3 天线馈线电压驻波比测量的原理方框图

利用标量网络分析仪测量馈线电压驻波比的原理方法是：首先，按照图4所示，建立驻波比测试系统，系统加电预热使系统仪器设备工作正常，合理设置标量网络分析仪的状态参数，在波导定向耦合器输出端口接短路器，对标量网络分析仪进行定标；然后，去掉短路器，接待测馈线，利用标量网络分析仪可直接测量出馈线驻波比大小，打印机输出测量结果。

图4所示，为S波段天气雷达天线馈线电压驻波比测量结果。由图4可知：在2.7－3.0GHz频段内，测量的电压驻波比VSWR≤1.438，满足天线馈线设计技术要求。

图4 馈线系统电压驻波比VSWR测量结果

图5为馈线插入损耗测量原理框图。

图5 馈线系统插入损耗测量原理方框图

利用标量网络分析仪测量馈线插入损耗的原理方法是：首先，按照图6所示，建立驻波比测试系统，在不接待测馈线情况下，对标量网络分析仪进行直通定标；然后，接入待测馈线，标量网络分析仪可直接测量出馈线插入损耗的大小。S波段天气雷达天线馈线插入损耗测量结果如图6所示。由图6可知：在2.7－3.0GHz频段内，测量的插入损耗IL≤0.85dB，满足天线馈线设计技术要求。