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行业专项成果综述-毫米波云雷达关键技术研究

发布者:张洁   来源:   发布时间:2017/6/29 14:47:38   标签:   浏览次数:1100

项目编号GYHY201206038

研究周期2012 1月—201512

国拨经费727万元

项目负责人】葛俊祥

项目骨干成员】葛俊祥、周俊萍、李家强、周勇、于兵、祁博宇、陈金立、王金虎、李鹏、陈振华、万发雨、杨金红、李、冯进军、蔡军、胡银富、崔延军

项目承担单位】南京信息工程大学

项目协作单位】中国气象局大气探测中心,中国电子科技集团公司第12研究所

主要研究成果

该项目主要研究内容及成果包括三毫米波段大功率合成器技术研究和八毫米/三毫米双波段共面天线技术研究,具体研究成果如下:

1. 研制成功三毫米波脉冲大功率合成器,解决了三毫米云雷达大功率发射机问题

该项研究主要成果已发表在国际著名电子器件刊物IEEE Transactions on Electron Devices上(Junxiang GeYong ZhouBing YuCheng ZhuJunping ZhouJiaqiang LiFayu WanJinjun FengJun CaiXianping WuPulsed Power Combining System for W-Band Traveling Wave Tube Amplifiers With a Waveguide Combiner, IEEE transactions on Electron Devices, Vol.61, No.9, 2014)。

所研制成功的三毫米波段行波管脉冲大功率合成器的所有主要技术指标均达到和超过项目任务书要求。

具体成果包括以下二个方面:

1 完成了三毫米波段行波管大功率放大器的研制。采用了皮尔斯电子枪、PPM聚焦系统,折叠波导慢波结构、金刚石输能窗和高耐压风冷收集极;单个行波管脉冲输出功率大于100W,占空比可达10%。这是国内第一次在三毫米波段实现了风冷下的行波管脉冲功率大于100W的大功率输出。

2)完成了国内首次开展的两只三毫米波段行波管脉冲大功率合成器研制。两只脉冲峰值功率大于100W的三毫米波段行波管放大器在94±1GHz频率内,合成输出功率最小169W,最大183W,该实验结果高于项目任务目标,功率合成效率最小为75.1%,最大为82.8%,也高于项目任务目标。

2. 研制成功八毫米/三毫米双波段共面天线,解决了双频毫米波云雨雷达天线问题

该项研究主要成果已被国际著名天线刊物IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters接收,近期将发表(Jie Wang, Junxiang Ge, Xianzhi Yang, Han Xia, Yong ZhouDesign of a high isolation 35/94GHz dual-frequency orthogonal polarization Cassegrain antenna)。

所研制成功的八毫米/三毫米双波段共面天线的所有主要技术指标均达到和超过项目任务书要求。

具体成果包括以下二个方面:

1)完成了八毫米/三毫米双波段高性能共面天线的高隔离度设计。利用电磁场波导正交模特性和滤波器设计技术,提出一种可实现双频高隔离度的新型天线馈源设计方式,并在35GHz94GHz双波段上设计、仿真和研制出毫米波卡式天线。该天线在35GHz94GH双波段上实现了60dB以上的高隔离度和大于5%的工作带宽。

2)完成了八毫米/三毫米双波段共面天线研制。采用短焦距天线设计技术,解决了八毫米/三毫米双波段共面天线的相位中心容差问题。实现了八毫米/三毫米双波段共面天线的高隔离、高增益、低旁瓣、低交叉极化等优良性能。

3. 在解决毫米波云雷达关键技术同时,取得理论、技术和人才培养重要成果

项目研究期间研究小组发表相关论文20篇,获得发明专利授权1件和实用新型专利授权12件,培养毕业博士硕士研究生22名,并锻炼成长了一支高水平研究团队,有1人被聘为教授,3人被聘为副教授,该团队已在2015年成功入选江苏省“双创团队”,获得300万元资助(2015年江苏省全省高校共评出10个“双创团队”)。

成果应用情况

由于国内在短毫米波雷达技术方面基础较弱,加之毫米波在军事应用的敏感性,国外对其技术和关键器件严格封锁,使得国内在短毫米波雷达关键器件研制方面与国外发达国家有较大差距。因此,如何在现有国产器件和加工条件下,采用新技术和方法开展毫米波云雷达的关键器件研究,解决关键技术问题成为了本项目的主要目的。

本项目所提出的三毫米波段大功率脉冲功率合成技术研究其目的是解决三毫米波段雷达缺乏大功率发射机问题。目前国内在三毫米波大功率放大器的输出功率方面还不够大,功率合成无疑是获得更大功率,研制更大功率发射机最有效的手段。本项目所研制出的代表目前国内最大输出功率的三毫米波行波管大功率脉冲功率合成器,对于研制三毫米波云雷达具体十分重要的应用价值。该行波管大功率脉冲功率合成方法已被“大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室”用于业务试验中。同时,该三毫米波行波管大功率放大器已被用于我们正在开发的国内首台地基三毫米波云雷达。

本项目另一项关键技术是研究八毫米/三毫米双波段共面天线。八毫米波段和三毫米波段是毫米波大气探测的两个最主要窗口,八毫米波段非常适合于弱降雨和厚云探测,而三毫米波段最适合薄云探测。因此,研制八毫米/三毫米双波段云雨雷达对于云及降雨的形成研究,极端性天气过程研究和预报等具有非常重要的应用价值,得到国外气象雷达探测装备研制者的高度重视。国内在双波段乃至三波段微波毫米波雷达研究方面已开始启动,这其中最重要的关键技术之一是解决高性能八毫米/三毫米双波段共面天线技术,在获得八毫米/三毫米双波段天线高性能辐射同时,必须最大程度地提高八毫米/三毫米双波段天线端口间的隔离度,防止不同频率信号和功率的泄露。

本项目提出了保持八毫米/三毫米双波段共面天线性能的设计方法,研制成功了具有超过60dB高隔离度的八毫米/三毫米双波段共面天线。该天线达到了云雨雷达对天线提出的技术指标,实现了不同频率天线在同一方向上的高性能辐射。该天线设计方法已被北京理工大学用于所承担的国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目“高灵敏度毫米波太赫兹双频共孔径联合相参云雷达仪”项目,以及我们与中国电子科技集团第14研究所南京恩瑞特实业有限公司联合申报的中国科学院大气环境研究所“X/Ka/W三波段云雨雷达系统研制”项目招标中。

本项目针对毫米波云雷达中的两项关键技术开展了深入研究,攻克了三毫米波云雷达大功率发射机,以及八毫米/三毫米双波段云雨雷达共面天线关键技术。该两项关键技术的解决为高性能全相参毫米波云雨雷达的业务应用和推广提供了技术支持,为正在研制的毫米波地基云雷达等提供了试验样机,产生了很好的直接效益。同时,项目还为正在研究的国防某项目业务试验、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制、中国科学院拟开展的国内首台地基微波毫米波三波段云雨雷达研制等提供了技术支持,产生了很好的间接效益。

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