淺談二次雷達天線原理

民航福建空管分局 陳 翰

1.引言

航管二次雷達是通過地面的詢問機向航空器發(fā)射1030MHz詢問信號，安裝有應答機的航空器接收到詢問后回返回一個1090MHz應答信號，雷達設(shè)備再接收應答信號來檢測、識別目標的方位與距離。

2.二次雷達的工作原理

二次雷達的信息交換，是通過將上行詢問內(nèi)容和下行應答內(nèi)容進行脈沖編碼來實現(xiàn)的。按照ICAO規(guī)范，傳統(tǒng)空管二次雷達的詢問模式共有6種，分別為1、2、3/A、B、C、D模式。實際在民用航空中常用的是3/A、C兩種模式。這兩種模式主要區(qū)別在于P1與P3的時間間隔不同。

P1～P3間隔是指P1和P3的0.5電平處脈沖前沿之間的間隔，其中3/A模式下，間隔為8us，C模式下間隔為21us。P1、P2、P3的0.5電平脈沖寬度均為0.8us，脈沖前沿寬度均為0.05～1us，脈沖后沿均為0.05～0.2us。詢問時，可以根據(jù)需要，只發(fā)射單一模式詢問信號也可以各種模式交錯詢問。

3.天線基本理論

天線的具體形式繁多，有多種分類方法，但是其中的基本理論，分析方法以及典型天線的工作原理與點特性卻是相通的。

3.1 方向性函數(shù)

天線的方向性函數(shù)是描寫天線的輻射作用在空間的相對分布的數(shù)學表示式，方向圖則是相應的圖解表示。場強振幅的歸一化方向性函數(shù)定義為：

針對定向天線，它的方向圖一般都呈現(xiàn)出花瓣狀，而且都包含兩個甚至多個波瓣：其中輻射方向上最大的瓣稱為主瓣，剩余的瓣均被稱為旁瓣或副瓣。我們通常利用主瓣和副瓣的寬度來描寫天線輻射處得能量的集中度。若主瓣寬度大，旁瓣電平低，則說明該天線的方向性或定向性能越不好；反之，就可以說明天線的定向性能或方向性越好。

3.2 極化

發(fā)射天線所輻射的電磁波都具有一定的極化特性。所謂極化就是電場矢量在空間的取向，那么所說的天線的極化通常是指在最大輻射方向上的電場矢量的取向。一般我們定義有三種極化的方式：線極化，圓極化和橢圓極化三類。通常情況下，接收天線與發(fā)射天線選擇的極化方式應該相同，如若不然將會引起“極化損耗”。

現(xiàn)有的航管一次雷達天線有線極化與圓極化可選。在雨天時，一次雷達天線采用圓極化方式進行輻射能有效降低天氣對雷達性能的影響。假定此時雷達天線輻射左旋極化波，當該波遇到近似球體的雨滴后，其反射波呈現(xiàn)右旋極化方式，這樣產(chǎn)生“極化損耗”，即雨滴產(chǎn)生的回波不被天線所接收。而飛行器產(chǎn)生的回波有左旋波也有右旋波，可以被天線接收。從而達到降低天氣影響的效果?，F(xiàn)有二次雷達天線都采用線極化方式進行輻射。

4.二次雷達天線系統(tǒng)

ICAO附件10對二次雷達地面天線系統(tǒng)的性能規(guī)定是：天線系統(tǒng)的工作頻率應覆蓋1030MHz和1090MHz，在對應工作頻率上的帶寬應滿足詢問信號和應答信號的頻帶和頻偏要求。單脈沖二次雷達天線系統(tǒng)的波束由和（Σ）波束、控制（Ω）波束、差（Δ）波束組成：詢問時輻射Σ、Ω波束，接收時選用Σ、Δ進行計算。

通?？梢詮乃教匦耘c垂直特性兩方面來描述天線特性：水平特性主要是指水平波束峰值電平、副瓣電平、差波束零值深度，這些參數(shù)影響了雷達對飛行器的角度分辨力、旁瓣抑制等能力；垂直特性主要體現(xiàn)在零仰角波瓣銳截止與高仰角增益上，這些特性分別影響由地面引起的波瓣分裂與雷達頂空盲區(qū)的設(shè)置。

4.1 水平特性

航管二次雷達天線均采用垂直大口徑天線。通常采用這類天線都可使雷達作用距離達到460km以上，且主波瓣3dB波束帶寬小于3°，能有效分辨相同距離、不同方位的飛行器。

4.1.1 和波束與控制波束

和波束（圖4-1-1）是由一個主瓣與多個附瓣組成：波束主瓣最大增益不應小于27dB，3dB帶寬不應大于3°；旁瓣增益應小于主瓣增益27dB。因此所采用的天線需要在主瓣增益固定的情況下盡可能地減小副瓣增益。

圖4-1-1 和與控制波束方向圖

控制波束需要在除了和波束主瓣方向外，增益超過和波束的增益。這樣的增益設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)詢問旁瓣抑制（ISLS），即消除應答機對副瓣詢問的應答。

4.1.2 和波束與差波束

利用和波束與差波束的相位關(guān)系我們可以得到飛行器的位置信息，見圖4-1-2。可以看到差波束在0°位置上有個很深的零值，側(cè)翼值也較低，差波束的這些特性能夠減少側(cè)翼接收無關(guān)信號，從而在一定程度上提高了單脈沖測角的能力。

圖4-1-2 差波束方向圖

從上圖差通道方向圖可以看出，若目靠近離中心，差波束增益較??；若目標偏離中心，差波束增益越大。那么我們就能通過比較差信號大小來判斷航空器偏離中心的角度。通常我們將歸一化的差通道信號輸出稱作偏離瞄準軸OBA信息。

4.2 垂直特性

航管二次雷達使用的垂直大口徑天線能有效改善小口徑天線引起的反射信號產(chǎn)生的虛假應答問題。大口徑天線具有一下優(yōu)勢：（1）在零仰角附近功率迅速截止，能夠有效減少對地面輻射能量；（2）峰值出現(xiàn)在仰角4°左右，能探測到較遠距離的航空器；（3）在60°的仰角上仍有約部分增益，實現(xiàn)減小頂空盲區(qū)范圍。

這類垂直波瓣對減少衰減區(qū)的范圍和減少由波束軸附近不同方向建筑物反射引起的虛假目標都有抑制作用。

5.結(jié)語

現(xiàn)各地使用的航管二次雷達品牌及規(guī)格有不同，但是其地面天線系統(tǒng)的原理內(nèi)容相近，可以通用。詳細掌握其一有助減少學習其他設(shè)備的時間。