浅谈二次雷达天线原理

民航福建空管分局 陈 翰

1.引言

航管二次雷达是通过地面的询问机向航空器发射1030MHz询问信号，安装有应答机的航空器接收到询问后回返回一个1090MHz应答信号，雷达设备再接收应答信号来检测、识别目标的方位与距离。

2.二次雷达的工作原理

二次雷达的信息交换，是通过将上行询问内容和下行应答内容进行脉冲编码来实现的。按照ICAO规范，传统空管二次雷达的询问模式共有6种，分别为1、2、3/A、B、C、D模式。实际在民用航空中常用的是3/A、C两种模式。这两种模式主要区别在于P1与P3的时间间隔不同。

P1～P3间隔是指P1和P3的0.5电平处脉冲前沿之间的间隔，其中3/A模式下，间隔为8us，C模式下间隔为21us。P1、P2、P3的0.5电平脉冲宽度均为0.8us，脉冲前沿宽度均为0.05～1us，脉冲后沿均为0.05～0.2us。询问时，可以根据需要，只发射单一模式询问信号也可以各种模式交错询问。

3.天线基本理论

天线的具体形式繁多，有多种分类方法，但是其中的基本理论，分析方法以及典型天线的工作原理与点特性却是相通的。

3.1 方向性函数

天线的方向性函数是描写天线的辐射作用在空间的相对分布的数学表示式，方向图则是相应的图解表示。场强振幅的归一化方向性函数定义为：

针对定向天线，它的方向图一般都呈现出花瓣状，而且都包含两个甚至多个波瓣：其中辐射方向上最大的瓣称为主瓣，剩余的瓣均被称为旁瓣或副瓣。我们通常利用主瓣和副瓣的宽度来描写天线辐射处得能量的集中度。若主瓣宽度大，旁瓣电平低，则说明该天线的方向性或定向性能越不好；反之，就可以说明天线的定向性能或方向性越好。

3.2 极化

发射天线所辐射的电磁波都具有一定的极化特性。所谓极化就是电场矢量在空间的取向，那么所说的天线的极化通常是指在最大辐射方向上的电场矢量的取向。一般我们定义有三种极化的方式：线极化，圆极化和椭圆极化三类。通常情况下，接收天线与发射天线选择的极化方式应该相同，如若不然将会引起“极化损耗”。

现有的航管一次雷达天线有线极化与圆极化可选。在雨天时，一次雷达天线采用圆极化方式进行辐射能有效降低天气对雷达性能的影响。假定此时雷达天线辐射左旋极化波，当该波遇到近似球体的雨滴后，其反射波呈现右旋极化方式，这样产生“极化损耗”，即雨滴产生的回波不被天线所接收。而飞行器产生的回波有左旋波也有右旋波，可以被天线接收。从而达到降低天气影响的效果。现有二次雷达天线都采用线极化方式进行辐射。

4.二次雷达天线系统

ICAO附件10对二次雷达地面天线系统的性能规定是：天线系统的工作频率应覆盖1030MHz和1090MHz，在对应工作频率上的带宽应满足询问信号和应答信号的频带和频偏要求。单脉冲二次雷达天线系统的波束由和（Σ）波束、控制（Ω）波束、差（Δ）波束组成：询问时辐射Σ、Ω波束，接收时选用Σ、Δ进行计算。

通常可以从水平特性与垂直特性两方面来描述天线特性：水平特性主要是指水平波束峰值电平、副瓣电平、差波束零值深度，这些参数影响了雷达对飞行器的角度分辨力、旁瓣抑制等能力；垂直特性主要体现在零仰角波瓣锐截止与高仰角增益上，这些特性分别影响由地面引起的波瓣分裂与雷达顶空盲区的设置。

4.1 水平特性

航管二次雷达天线均采用垂直大口径天线。通常采用这类天线都可使雷达作用距离达到460km以上，且主波瓣3dB波束带宽小于3°，能有效分辨相同距离、不同方位的飞行器。

4.1.1 和波束与控制波束

和波束（图4-1-1）是由一个主瓣与多个附瓣组成：波束主瓣最大增益不应小于27dB，3dB带宽不应大于3°；旁瓣增益应小于主瓣增益27dB。因此所采用的天线需要在主瓣增益固定的情况下尽可能地减小副瓣增益。

图4-1-1 和与控制波束方向图

控制波束需要在除了和波束主瓣方向外，增益超过和波束的增益。这样的增益设置能够实现询问旁瓣抑制（ISLS），即消除应答机对副瓣询问的应答。

4.1.2 和波束与差波束

利用和波束与差波束的相位关系我们可以得到飞行器的位置信息，见图4-1-2。可以看到差波束在0°位置上有个很深的零值，侧翼值也较低，差波束的这些特性能够减少侧翼接收无关信号，从而在一定程度上提高了单脉冲测角的能力。

图4-1-2 差波束方向图

从上图差通道方向图可以看出，若目靠近离中心，差波束增益较小；若目标偏离中心，差波束增益越大。那么我们就能通过比较差信号大小来判断航空器偏离中心的角度。通常我们将归一化的差通道信号输出称作偏离瞄准轴OBA信息。

4.2 垂直特性

航管二次雷达使用的垂直大口径天线能有效改善小口径天线引起的反射信号产生的虚假应答问题。大口径天线具有一下优势：（1）在零仰角附近功率迅速截止，能够有效减少对地面辐射能量；（2）峰值出现在仰角4°左右，能探测到较远距离的航空器；（3）在60°的仰角上仍有约部分增益，实现减小顶空盲区范围。

这类垂直波瓣对减少衰减区的范围和减少由波束轴附近不同方向建筑物反射引起的虚假目标都有抑制作用。

5.结语

现各地使用的航管二次雷达品牌及规格有不同，但是其地面天线系统的原理内容相近，可以通用。详细掌握其一有助减少学习其他设备的时间。