S波段天气雷达天线信号遮挡影响分析

王聚瑞

(中国电子科技集团公司第54研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

天气雷达系统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。天气雷达一般安装于山顶和塔楼顶，周边不存在有过高建筑和其他遮挡物，但避雷针是保护天气雷达系统防雷工作的重要组成部分，其作用是将雷电经过此设备接收，然后将强雷电信号用导线传输给大地，由大地将雷电吸收并进行分化[1]。避雷针是金属导体，在避雷的同时也会影响天气雷达系统微波信号发射和接收。

随着科技的发展，天气雷达系统的技术在快速提升，指标要求也在不断提高，如要求天气雷达系统天线低副瓣、高功率、窄波束传输等[2]。因此，避雷针是影响天气雷达系统天线非常重要的因素。鉴于避雷针一般都是采用金属导体的特点，以下主要提出了避雷针对天气雷达系统天线的影响分析。

1 避雷针对天气雷达系统天线影响与分析

1.1 避雷针的特性和天线主要技术指标

天气雷达系统分布在全国的各个地区，避雷针主要目的是保证天气雷达系统在大功率状态下正常的工作，雷电对其不造成损坏。避雷针具有覆盖面积大，泄放雷电能力强，减弱引下线出现的大电流而形成的感应过电电压特点。避雷针信号传输部分是由金属导体，导线，避雷接线盒等部分组成，无论是加工还是安装，都有较高的要求。所以天气雷达系统中每个器件都需特殊处理，尤其是天线部分，它是天气雷达系统关键的微波发射和接收设备。天气雷达在工作状态时需要连续转动和不间断的发射和接收信号，天线每旋转一周有四次遇到避雷针，所以避雷针的影响是非常重要的。图1所示，为避雷针所在S波段天气雷达天线前方位置。表1给出天气雷达天线的主要部分技术指标。

图1 避雷针所在S波段天气雷达系统天线前方位置

表1 S波段天气象雷达天线部分指标

1.2 避雷针的选择和影响

避雷针对S波段天气雷达天线影响的主要技术指标是增益和旁瓣。一般情况下，避雷针在天气雷达系统的四周，分别为90°一个,均匀放置4根。避雷针的选择应遵循以下原则：

(1)避雷针形式选择。一般选择为圆柱型钢结构材料外侧加入保护层(比如玻璃钢或塑料)。由于天气雷达系统为大功率传输设备，依据雷达设备波长的要求，选定直径越小的避雷针对天气雷达系统影响越小。

(2)避雷针高度选择。从天气雷达系统实际情况分析，一定要高于整个雷达系统，使其发挥最大的避雷效果，因天气雷达系统天线方位在0～360°旋转，俯仰在0～90°旋转，避雷针全部都是垂直放置的，允许垂直偏差在千分之三，所以避雷针的垂直度对天线方位方向图的指标影响较大。

(3)避雷针的强度设计。在高度合适的情况下在工作中要有一定的强度和韧性，防止天气雷达系统因避雷针强度不够被风吹折弯增大对天线信号遮挡面积，起不到避雷作用时，导致雷电会直接破坏到天气雷达系统从而造成雷达系统损坏停机及火灾等情况出现。

1.3 避雷针对天线信号影响仿真计算

依据以上特点原则，分析了雷达站两种常用尺寸避雷针对S波段天气雷达系统天线的影响，做出了仿真模型。天线正前方有避雷针如图2所示。由图2可知，天气雷达系统避雷针和天线是有相对关系存在的。图3为天气雷达系统天线前方避雷针为直径130mm时天线方向图仿真结果；图4为天气雷达系统天线前方避雷针为直径140mm时天线方向图仿真结果[3]。

图2 天气雷达设备天线正前方避雷针示意图

图3 避雷针直径d=130mm天线方向图仿真结果

图4 避雷针直径d=140mm天线方向图仿真结果

1.4 天线性能仿真计算

由图2图3避雷针直径d=130mm、d=140mm天线方向图仿真结果可看出：避雷针对天线雷达系统S波段天线的增益和旁瓣影响很大。有无避雷针或避雷针直径大小影响天线增益和旁瓣的详细分析数据如表2、表3、表4所示，在避雷针直径d=130mm、d=140mm时对天气雷达系统天线的指标影响数据[4]。

表2 无避雷针时天气雷达系统天线方向图结果

表3 避雷针直径130mm时对天气雷达系统天线影响方向图仿真结果

天线旁瓣的估算[5]：天线旁瓣的设计目标为D/λ≥50，其旁瓣峰值包络至少90%满足以下的包络线：利用下式计算：

G(θ)=29-25log(θ)

(1)

式中：θ为天线旁瓣角度；λ为工作波长；D为天线口径。(1≤θ≤20°)

利用式(1)可计算频率为2.7～3.0GHz时，天线雷达系统S波段8.5m天线的旁瓣电平，计算可得天线旁瓣在2°时为大于21.47dB。满足天线设计技术指标要求[6]。

2 天线实际测量原理和方法

这里介绍天气雷达系统天线增益和旁瓣测量原理和方法[7]。图5为天气雷达系统天线增益和旁瓣测量的原理图。

图5 天气雷达系统天线增益和旁瓣测量的原理图

利用频谱分析仪测量天气雷达系统天线增益和旁瓣测量原理方法是：首先按照图5所示，建立天气雷达系统天线测试系统，系统加电预热使系统仪器设备工作正常，连接天线与频谱仪的数据传输电缆合理设置频谱分析仪的状态参数，再将待测天线与发射源天线极化匹配；然后，开始转到待测天线伺服控制系统，利用频谱分析仪可直接测量出旁瓣电平如图6所示，利用方向图测试数据，根据公式

图6 S波段天气雷达系统天线实测结果

(2)

推算出天线增益，打印输出测量结果。

式中：G为天线增益；θ3AZ为天线方位波束宽度；θ3EL为天线俯仰波束宽度。

利用式(2)可计算频率为2.7～3.0GHz时，方位和俯仰波束宽度分别为0.99°时天线雷达系统S波段8.5m天线的增益，计算可得45.53dB。满足天线设计技术指标要求[8]。

3 结束语

本文以S波段天气雷达天线为例，仿真测试出两种常用避雷针对天气雷达天线增益和旁瓣的影响数据，对比分析出结果满足天线技术指标要求。对天气雷达系统以后的设计与测量提供重要参考依据。