波导及雷达天线系统

子模块五　波导及雷达天线系统

学习目标：掌握雷达天线系统组成和各部分作用；

　　　　　了解波导与同轴电缆的用途及结构特点；

熟悉雷达天线的分类与特点。

重点难点：雷达天线的分类与特点。

一、系统组成及各部分作用

微波传输及天线系统由波导（或同轴电缆）馈线、天线、驱动电机、传动装置、方位同步发送机及船首位置信号产生器等部件组成。组成框图如图1-10所示。

图1-10　微波传输及天线系统组成框图

1. 波导

波导（Waveguide）连接于收发机与天线之间，用作传输微波能量。

2. 天线

天线（Antenna；Scanner；Aerial）用作定向发射射频脉冲信号和定向接收物标回波信号。

3. 驱动电机

驱动电机（Driving Motor）的作用是带动天线匀速旋转。它的驱动能力是应使天线在相对风速100kn的情况下仍能正常地启动和运转。为保证天线的匀速转动，天线电机的转速一般都较高，通常都在1 000～3 000r/min。

为适应各种船电的要求，电机的种类相应地也很多，有交流、直流的，有单相、三相的，电压值也不一样，所以在订购雷达时应说明船电的种类等有关数据。

驱动电机的电源开关有单独设置的，也有与雷达电源开关同轴安装的，目前，后者居多。在天线电机供电电路里，一般设有保险丝，有的还设有过荷继电器。为了安全起见，有的雷达在天线底座上装有天线安全开关，维修人员上天线工作时，可用它切断天线电机电源。

4. 传动装置

传动装置（Driving Device）实际上是一个减速装置。该减速装置是将高达1 000～3 000r/min的天线电机转速减速，以保证天线以15～30r/min的速度匀速转动。目前大部分雷达采用的是齿轮减速传动装置，也有些雷达采用皮带减速传动装置。前者要求定期加注或更换防冻润滑油，后者要求定期检查皮带的松紧程度，并进行调整或更新。

5. 方位同步发送机

方位同步发送机（Bearing Transmitter）是方位扫描系统的一个组成部分。它把天线的角位置变成电信号送给显示器的同步接收机，并通过方位扫描系统的其他部件使扫描线随天线同步旋转。

6. 船首位置信号产生器

船首位置信号产生器（Heading Position Signal Generator）一般由一个微型触点式开关和安装在天线旋转齿轮上的一个凸轮组成，是显示器里的船首标志形成电路的一个组成部分。每当天线转过船首方向时，凸轮使开关闭合一次，发出一个脉冲信号使显示器里的船首标志电路输出一个方波，在屏上形成一条径向亮线代表本船船首。

触点开关也可以是一个干簧管，并由固定在随天线旋转的齿轮上的一块小磁铁吸动闭合。触点开关位置可以调整，以校准方位误差，一般左右各可移动15°。

现在有些雷达的船首位置信号产生器采用无触点式电路，如用光电效应的方法，或用从方位同步机某一相中取出零相位点代表船首方向，或用轴编码器等，作用都是相同的。

二、波导与同轴电缆

（一）波导

1. 用途

为减小损耗，防止辐射、干扰和失真。要使用波导或同轴电缆作为微波传输线，而不能用普通导线或电缆。

2. 结构特点

波导管（或称波导）是由黄铜或紫铜拉制而成的空心管。截面为矩形的叫矩形波导，截面为圆形的叫圆形波导。其内壁光洁度很高，有的还镀银或金、铑、镍等。截面尺寸由要传输的微波波长决定。矩形波导边长中，较长的一边称宽边a，较窄的一边称窄边b，如图1-11所示。

电磁波在波导里传输时也是有衰减的。衰减的大小主要与如下因素有关：

（1）与传输的波型有关：以传输TE₁₀型波（即在管内电场只有横向分量，称为横电波。其中“1”表示沿a边有一个电场最大值，“0”表示沿b边无电场最大值。）衰减最小。

（2）与波导管尺寸有关：a、b越大，衰减越小。但a、b太大会产生其他波形。为保证只传输TE₁₀波，a、b应满足：λ/2＜a＜λ，0＜b＜λ/2。实用上一般选a=0.7λ，b=(0.4～0.5)λ。

（3）与波导材料有关：材料的电导越大，衰减越小。

（4）与波导内表面光洁度和清洁度有关：越光洁、越清洁，衰减越小。

图1-11　波导

3. 波导元件

为适应在船上的实际安装需要，除基本直波导做成各种长度规格外，还配有宽边弯波导、窄边弯波导、扭波导及旋转接头等，如图1-12所示。弯波导、扭波导用以改变波导的走向。软波导接在收发机波导口，用来调整收发机与硬波导间少量位置偏差、缓冲振动及波导热胀冷缩等，以防变形，损伤波导。旋转接头装在天线阵与天线底座的连接处，以便在固定的波导与旋转的天线阵之间传输微波能量。此接头安装较复杂，均在出厂前经过仔细调整，不能随便拆卸。

图1-12　波导元件

（a）弯波导；（b）弯波导；（c）扭波导；（d）旋转波导；（e）波导结构图；（f）工作原理图

此外，每根波导的两端结构不同：一端的端面是平的，称为平面接头；另一端端面开有两个槽。外面一个槽浅一些，是安装水密橡皮圈用的；里面一个槽较深一些，深度约为λ/4，而且宽边中点到槽的距离也为λ/4，此槽称扼流槽（见图1-12 e），这一端称为扼流接头。连接时，平接头朝向天线。当扼流接头与平面接头相连接时，可用来保持波导的电气连续，防止微波能量的损耗，并保持接头水密。

4. 波导管使用、安装注意事项

（1）安装前要检查波导管，管内应清洁；

（2）波导总长度不宜超过20m，弯波导不宜超过5个；

（3）软波导不能用作弯波导，不宜装于室外；

（4）波导管平面接头朝天线，扼流接头朝收发机；每个连接处要在水密槽内装橡皮圈，螺丝要上紧，并在安装结束后在接缝外边涂上厚油漆；

（5）在收发机波导口要插入云母片，防止波导一旦进水直接流入磁控管而损坏磁控管；

（6）波导安装时要防止波导受力，每隔1～2m要安装固定架，室外易碰撞部分应加装硬防护罩等。

（二）同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）的结构如图1-13所示。它由内外两层导体组成，内导体是一根或多根细铜线或一根细铜管；外导体是由单层或多层镀银编织网或蛇形铜管组成的。内外导体必须严格同轴，故在内外导体间填有聚苯乙烯等低损耗绝缘物。最外面是橡皮包皮。

图1-13　同轴电缆结构

（a）软同轴电缆；（b）硬同轴电缆

为保证在同轴电缆内仅传输一种横电波．同轴电缆内导体直径d和外导体的内径D与波长λ的关系应满足：D+d＜λ/π

另外，考虑到同轴电缆的衰减系数、品质因素、传输功率及绝缘性能等因素的影响，其内外导体的直径比约为：D/d≈2.3。

（三）波导与同轴电缆的比较

（1）传输相同波长时，波导管的体积比同轴电缆大。

（2）传输同一波长的电波，波导损耗较小。但波长大于10cm时，同轴电缆的损耗也不大。

（3）波导传输的功率比同轴电缆大。

（4）波导的击穿电压高。

（5）波导的结构简单。

综合考虑上述各种因素后，一般3cm雷达用波导作馈线，而在10cm雷达中，用同轴电缆作馈线。

想一想

波导和同轴电缆都有哪些结构特点？

三、雷达天线

（一）雷达天线主要技术指标

1. 方向性图

天线方向性图是表示天线收发电磁波功率（或场强）与方向关系的坐标图，显然，它应该是一个三维坐标的立体图。但在船用雷达中，我们仅需讨论它在水平面和垂直面内的方向特性。平面方向性图可用极坐标或直角坐标表示。用极坐标表示的天线方向性图如图1-14所示。天线的方向性图越尖锐，表示天线收发电磁波能量的聚束能力越好，即收发的定向性越强。图中天线辐射和接收能量最强方向的波速称为主波速或主瓣。此外，在其他方向也有几个小的波速，能量很小，且对称分布于主波速的两边，称为旁瓣或副波速。图中实线表示功率与方向的关系，虚线表示场强与方向的关系。

图1-14　天线方向性图

2. 方向性系数

方向性系数用来表示定向天线的能量聚束能力。它等于定向天线最大辐射方向的功率通量密度与各向均匀辐射时的平均功率通量密度之比。

3. 半功率点波速宽度

天线辐射电磁波主瓣波速宽度，简称半功率点宽度。在功率方向性图中，是指功率为最大值的一半时的两个方向间的夹角；在强场方向性图中，则是强场为最大值的0.707倍时的两个方向间的夹角。

在水平面内的波速半功率点的宽度称为天线水平波速宽度，并以θ_H表示，θ_H越小，雷达方位分辨率及测方位精度越高。现代船用雷达天线的θ_H约为0.7°～1.3°。

在垂直平面内的波速半功率点的宽度称为天线垂直波速宽度，并以θ_V表示。为使船舶摇摆时不至丢失物标和尽量减小雷达盲区，又能保证天线有足够大的增益，现代船用雷达的θ_V约为15°～30°。

4. 天线增益G_A

天线增益G_A表示定向天线将输入功率集中到一个方向的能力。天线增益G_A与天线波速宽度的关系可近似地由下式表示：

可见，波速越窄，天线增益越高。

（二）雷达天线的构成、分类与特点

1. 船用雷达天线——隙缝波导天线的构成

现代船用雷达普遍采用隙缝波导天线，这种天线由隙缝波导、垂直极化滤波器、扇形喇叭、天线罩及终端吸收负载等部分组成。其结构示意图如图1-15所示。

（1）隙缝波导是一段窄边开有几十至百余个隙缝的矩形波导，用来辐射和接受微波能量，每条隙缝的倾斜角不一、相邻缝距为半个波长。波导越长，缝隙数越多，波速越窄，天线方向性越好。

图1-15　隙缝波导天线

（a）正视图；（b）侧视图

① 缝隙波导；② 垂直极化滤波器；③ 辐射窗口；④ 扇形喇叭；⑤ 天线罩

（2）垂直极化滤波器用来滤除隙缝辐射电磁波中的垂直极化成分，只让水平极化波辐射出去。终端吸收负载用作匹配负载，吸收到达波导终端的剩余微波能量，不产生反射。

（3）扇形喇叭用来限制垂直波速宽度，喇叭张角越大（即天线口径高度越大），则垂直波速越窄。

（4）密封天线罩用来保持水密及防止灰尘等脏物进入天线及波导。

隙缝波导天线主瓣轴向偏离天线窗口法线方向约为3.1°～4.1°（视不同天线而异），在安装天线底座时应加以校正。

2. 分类与特点

极化方式是指天线辐射的电磁波的电向量在空间的振动方向。雷达天线按极化方式不同，分为水平极化、垂直极化和圆极化三种方式。

（1）电场向量在空间沿水平方向振动称“水平极化”。水平极化天线抗海浪干扰较好，海面物标的反射较强，在船用雷达中被广泛采用。

（2）电场向量在空间沿垂直方向振动称“垂直极化”。垂直极化天线抗雨雾干扰较好，在港口雷达中可见到运用。

（3）电场向量的终点在传播空间以电磁波传播方向为轴，描成螺旋线称圆极化。圆极化又可分为右旋圆极化与左旋圆极化两种形式，如图1-16所示。

圆极化天线的重要优点是能有效地抑制或减弱雨干扰反射波，现简单介绍其抑制原理。若采用右旋圆极化天线，其辐射的右旋圆极化波遇到球状体雨滴反射后，反射波变成左旋圆极化波，后者不能进入右旋圆极化天线。而当右旋圆极化波遇到外形不规则物标（大多数物标属于不规则物标）时，其反射波绝大部分仍为右旋圆极化波，因而可被天线接收。

图1-16　圆极化的两种形式

（a）—右旋圆极化波；（b）—左旋圆极化波

3. 注意事项

实验证明，圆极化天线可将雨干扰回波减弱到1/40～1/100。需要注意的是，凡类似于圆的对称物标（如浮筒、灯塔等），其回波将被削弱。因此，常见水平极化与圆极化天线同时安装于一部雷达，或在一个天线中采用极化器改变不同的极化方式，用在显示器面板上的“极化”选择开关可控制极化方式转换。一般晴天用“水平极化”，雨天才用“圆极化”。

（三）雷达天线的维护保养

（1）天线辐射窗口（或抛物面）上的油烟灰尘至少每半年清除一次。清除时应用软湿布、软毛刷、清水清洗，不准加涂油漆。

（2）每半年检查一次波导连接、密封、紧固、开裂等情况，并半年油漆一次。（3）每半年按说明书规定对减速齿轮箱加一次防冻润滑油。

想一想

雷达天线三种极化方式各有什么优点？

思考与训练

1. 雷达之所以能够发射和接收共用一个雷达天线，是因为．

A. 雷达天线是定向天线　B. 雷达天线是波导天线

C. 收发开关的转换作用　D. 雷达天线用波导传输能量

2. 为了减少雨雪干扰回波，雷达天线可采用________。

A. 水平极化天线　B. 圆极化天线

C. 高速转动天线　D. 隙缝波导天线

3. 在相同的天线水平尺寸时，X波段雷达比S波段雷达________。

A. 抗雨雪干扰能力强　B. 抗海浪干扰能力强

C. 方位分辨力好　　　D. 作用距离远

4. 一般雷达天线每________钟旋转一周。

A.　1秒　B.　3秒　C.　1分　D.　3分

5. 雷达开机正常，只有天线不转，首先应检查天线________。

A. 马达供电电路　B. 驱动马达绕组

C. 保险丝　　　　D. 减速齿轮

6. 船用雷达的船首信号产生于________。

A. 天线收发开关　　　　B. 船首线微动开关

C. 天线方位同步发送机　D.　B或C

7. 当雷达天线改装时，距离移动或高度改变较大时，应重新调整________。

A. 高压延时　B. 扫描延时　C. 扫描速率　D. 扫描线性

8. 雷达的波导隙缝天线水平波束宽度，将影响雷达________。

A. 距离分辨力　B. 方位分辨力　C. 方位误差　D. 距离误差

9. 波导扼流槽的作用：________。

A. 防止水流入波导　　B. 防止水流入发射机

C. 保持波导电气连续　D.　A+B

10. 雷达使用圆极化天线后，________。

A. 雨雪回波削弱　B. 对称物体回波削弱

C. 作用距离减少　D. 上述说法都正确

11. 船用雷达天线应________用干净软布清洁一次。

A. 每月　B. 每半年　C. 每一年　D. 每两年

12. 雷达的收发机与天线之间用来传输微波信号的是________。

A. 同轴电缆　B. 波导管　C.　A或B均可　D.　A或B均不可

13. 船用雷达天线的水平波束宽度约为________度。

A.　7　B.　5　C.　3　D.　1

14. 船用雷达天线的垂直波束宽度约为________度。

A.　7　B.　1　C.　22　D.　45