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研究生： 陳祥章
Hsiang-Chang Chen
論文名稱： 中壢雷達三維輻射場型模擬與分析及系統建立
Chung-Li Radar 3D Radiation Patterns Simulation 、Analysis and System Establishment
指導教授： 朱延祥
Yen-Hsyang Chu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 地球科學學院 - 太空科學研究所
Graduate Institute of Space Science
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 210
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    • 摘 要
    中壢30 MHz雙態雷達系統於2004年12月建立完成，具有12KW峯值發射功率輸出，及5個接收機模組，採用四元素八木天線組合成8×1的直線形發射陣列天線及5個空間干涉接收天線。利用GPS與銣原子鐘標準頻率訊號源，來達成雙態雷達的時間與頻率同步。於2005年3月開始執行單態模式觀測實驗，並於5月15日初步得到Es (Sporadic E)不規則體與流星尾(Meteor Trail)回波信號觀測結果。本文同時利用模擬軟體，完成中壢雷達地區所有陣列天線三維輻射場型的分析，以得知天線的增益、波束方向與角度、半功率波束寬等特性，利於中壢雷達探測大氣目標物方位之分析與參考。依據分析結果，得知陣列天線垂直波束易受地面反射率干涉的影響，而傾斜波束則會隨傾斜天頂角的增加呈現逐漸加寬效應。另外，對於電離層陣列天線的不規則排列所呈現不規則波束，則提出改善建議。針對52 MHz雷達系統的更新，亦重新設計與製作ST陣列天線與電離層陣列天線的相位控制器與功率分配器，使相位控制電路具有彈性及利於安裝與維修。

    目 錄 1. 前言 1 1.1 雷達概述 2 1.2 MST雷達 4 1.3 剖風儀雷達 5 1.4 相位控制陣列天線 6 1.5 天線波束寬度 7 1.6 天線增益 8 1.7 研究內容與目的 9 2. 陣列天線之陣列因子 與半功率波束寬 理論推導 11 2.1 陣列天線的陣列因子(Array Factor)推導 12 2.2 直線形陣列天線的扇形波束隨天頂角增加而產生內縮效應 16 2.3 無柵波束(Grating Lobes)出現的陣列天線最大間隔距離 18 2.3.1 天頂角θ0為0度時，最大間隔距離 18 2.3.2 天頂角θ0≠0時，最大間隔距離 18 2.4 傾斜波束(Oblique Beam)半功率波束寬的加寬效應 21 3. 中壢雷達天線阻抗匹配方式 27 3.1 平衡-轉-不平衡(Balance-to-Unbalance，Balun )轉換器 28 3.2 52 MHz ST天線結構與阻抗匹配方式 33 3.3 52 MHz電離層天線結構與阻抗匹配方式 37 3.4 30 MHz天線結構與阻抗匹配方式 40 3.5 30 MHz天線之電壓駐波比(VSWR)與阻抗量測 40 4. 陣列天線3D輻射場型模擬 47 4.1 大地反射對於天線輻射特性之影響 49 4.2 52 MHz ST陣列天線3D輻射場型模擬 53 4.2.1 單根ST天線輻射場型模擬 53 4.2.2 8×8 ST陣列天線輻射場型模擬 54 4.2.3 3×(8×8) ST陣列天線輻射場型模擬 57 4.3 52MHz電離層陣列天線3D輻射場型模擬 71 4.3.1 單根電離層天線輻射場型模擬 71 4.3.2 4×8電離層陣列天線輻射場型模擬 71 4.3.3 2×(4×8)電離層陣列天線輻射場型模擬 74 4.3.4 3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型模擬 74 4.4 30 MHz陣列天線3D輻射場型模擬 93 4.4.1 單根30 MHz天線輻射場型模擬 93 4.4.2 8×1 30 MHz發射陣列天線輻射場型模擬 93 4.5 半功率波束寬理論值與模擬值之比較 106 4.6 各陣列天線輻射場型之比較與分析 109 5. 陣列天線分配器/組合器及相位控制器設計與製作 113 5.1 52 MHz ST陣列天線1：64分配器設計 113 5.2 52 MHz ST陣列天線相位控制器設計 117 5.3 52 MHz電離層陣列天線1：32分配器設計 118 5.4 52 MHz電離層陣列天線移相位器設計 119 6. 中壢30 MHz雙態雷達系統建立 131 6.1 雙態雷達系統工作原理 132 6.1.1 雙卅多態雷達的主要優缺點 135 6.1.2 雙態雷達的技術難點 136 6.2 中壢30 MHz雙態雷達系統簡介 140 6.2.1 發射次系統 141 6.2.2 接收次系統 143 6.2.3 天線次系統 144 6.2.4 資料擷取次系統 146 6.2.5 頻率及時間同步次系統 150 6.3 中壢30 MHz雷達最低可量測距離 151 6.4 中壢30 MHz雷達初步觀測結果 152 6.5 宇宙噪音與干擾源之探討 159 7. 結論 205 參考文獻 207 圖 目 錄 圖 2 1、直綫形陣列 13 圖 2 2、矩形陣列 15 圖 2 3、(a)扇形波束隨著天頂角的增加呈現往內縮的效應(b)扇形波束峯值等值線為天頂角 的函數 [Mailloux，1994] 17 圖 2 4、d＝0.25λ、0.5λ、λ之 與 圖形 20 圖 2 5、主波束天頂角θ0= 0o、30o之 與 圖形 22 圖 2 6、 與 之3dB點標示圖 24 圖 2 7、矩形陣列天線的筆型半功率波束加寬效應截面圖 [Mailloux，1994] 26 圖 3 1、不平衡式同軸電纜等效電路圖 [Balanis , 1982] 29 圖 3 2、電流型1：1 Balun等效電路圖 30 圖 3 3、高μ值感抗等效圖 32 圖 3 4、1：1 Balun結構實體圖 32 圖 3 5、中壢52 MHz ST天線結構圖 35 圖 3 6、中壢ST 天線4：1 Balun 結構圖 36 圖 3 7、中壢ST 天線之T匹配等效電路圖[Balanis , 1982] 36 圖 3 8、中壢52 MHz電離層天線結構圖 38 圖 3 9、中壢52 MHz電離層天線之Γ匹配器等效電路圖 [Balanis , 1982] 39 圖 3 10、中壢30 MHz天線結構圖 41 圖 3 11、中壢30 MHz天線實體圖 42 圖 3 12、髮夾式匹配結構圖 43 圖 3 13、 30MHz天線1：1 Balun 實體圖 44 圖 3 14、髮夾式匹配器等效電路圖 44 圖 3 15、30MHz天線之VSWR量測值 45 圖 3 16、30MHz天線之輸入阻抗史密斯(Smith)圖量測值 45 圖 4 1、中壢特高頻雷達陣列天線 48 圖 4 2、垂直偶極天線受理想大地反射效應影響 49 圖 4 3、偶極天線輸入阻抗受不同導電率地面影響之變化曲線 [Balanis ,1982] 50 圖 4 4、單根ST天線於自由空間之輻射場型 58 圖 4 5、單根ST天線於地平面之輻射場型 58 圖 4 6、單根ST天線輻射場型E平面極座標圖 59 圖 4 7、單根ST天線輻射場型H平面極座標圖 59 圖 4 8、8×8 ST陣列天線垂直波束輻射場型側視圖 60 圖 4 9、8×8 ST陣列天線垂直波束輻射場型上視圖 60 圖 4 10、8×8 ST陣列天線垂直波束極座標剖面圖 61 圖 4 11、8×8 ST陣列天線垂直波束HPBW直角座標圖 61 圖 4 12、8×8 ST陣列天線傾斜波束輻射場型側視圖 62 圖 4 13、8×8 ST陣列天線傾斜波束輻射場型上視圖 62 圖 4 14、8×8 ST陣列天線傾斜波束仰角面極座標剖面圖 63 圖 4 15、8×8 ST陣列天線傾斜波束仰角面HPBW直角座標圖 63 圖 4 16、8×8 ST陣列天線傾斜波束等位面圖 64 圖 4 17、傾斜波束半功率波束寬示意圖 64 圖 4 18、8×8 ST陣列天線傾斜波束方位面極座標剖面圖 65 圖 4 19、8×8 ST陣列天線波束朝東、西、南、北與垂直方向示意圖 65 圖 4 20、以晴天情況下的垂直波束來估算，經距離修正後的單位體積雷達回波功率強度隨高度的變化，藍色線與〝 ＊〞為垂直波束回波功率，綠色線與〝o〞為波束傾斜17°的回波功率[蘇，2004] 67 圖 4 21、以雨天情況下的垂直波束來估算，經距離修正後的單位體積雷達回波功率 強度隨高度的變化，藍色線與〝 ＊〞為垂直波束回波功率，綠色線與〝o〞為波束傾斜17°的回波功率[蘇，2004] 67 圖 4 22、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束輻射場型側視圖 68 圖 4 23、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束輻射場型上視圖 68 圖 4 24、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束東-西向極座標剖面圖 69 圖 4 25、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束東-西向HPBW直角座標圖 69 圖 4 26、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束南-北向極座標剖面圖 70 圖 4 27、3×(8×8) ST陣列天線垂直波束南-北向HPBW直角座標圖 70 圖 4 28、單根電離層天線於自由空間之輻射場型 78 圖 4 29、單根電離層天線於地平面之輻射場型 78 圖 4 30、4×8電離層陣列天線輻射場型側視圖 79 圖 4 31、4×8電離層陣列天線輻射場型上視圖 79 圖 4 32、4×8電離層陣列天線傾斜波束仰角面極座標剖面圖 80 圖 4 33、4×8電離層陣列天線傾斜波束方位面極座標剖面圖 80 圖 4 34、(天線傾斜41o，無相位移)之4×1電離層陣列天線於自由空間輻射場型 81 圖 4 35、(天線傾斜41o，無相位移)之4×1電離層陣列天線於地平面輻射場型 81 圖 4 36、(天線傾斜41o，無相位移)之4×2電離層陣列天線於地平面輻射場型 82 圖 4 37、(天線傾斜41o，無相位移)之4×8電離層陣列天線於地平面輻射場型 82 圖 4 38、( 天線垂直，相位移200.75o )之4×8電離層陣列天線輻射場型 83 圖 4 39、(天線垂直，相位移200.75o)之4×8電離層陣列天線波束仰角面極座標圖 83 圖 4 40、2×(4×8)電離層陣列天線輻射場型側視圖 84 圖 4 41、2×(4×8)電離層陣列天線輻射場型上視圖 84 圖 4 42、2×(4×8)電離層陣列天線傾斜波束仰角面極座標剖面圖 85 圖 4 43、2×(4×8)電離層陣列天線傾斜波束方位面極座標剖面圖 85 圖 4 44、3×(4×8)電離層陣列天線分佈圖 86 圖 4 45、3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型前視圖 86 圖 4 46、3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型上視圖 87 圖 4 47、3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型側視圖 87 圖 4 48、3×(4×8)電離層陣列天線傾斜波束仰角面極座標剖面圖 88 圖 4 49、3×(4×8)電離層陣列天線傾斜波束仰角面之HPBW直角座標圖 88 圖 4 50、3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型上視圖之天頂角38°方位剖面標示線 89 圖 4 51、3×(4×8)電離層陣列天線輻射場型上視圖之天頂角41°方位剖面標示線 89 圖 4 52、3×(4×8)電離層陣列天線波束的38°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 90 圖 4 53、3×(4×8)電離層陣列天線波束的39°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 90 圖 4 54、3×(4×8)電離層陣列天線波束的40°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 91 圖 4 55、3×(4×8)電離層陣列天線波束的41°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 91 圖 4 56、3×(4×8)電離層陣列天線波束的42°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 92 圖 4 57、3×(4×8)電離層陣列天線波束的43.5°天頂角位置處之方位面極座標剖面圖 92 圖 4 56、單根30 MHz天線於自由空間之輻射場型 95 圖 4 57、單根30 MHz天線於地平面之輻射場型 95 圖 4 58、單根30 MHz天線輻射場型E平面極座標圖 96 圖 4 59、單根30 MHz天線輻射場型E平面HPBW直角座標圖 96 圖 4 60、單根30 MHz天線輻射場型H平面極座標圖 97 圖 4 61、單根30 MHz天線輻射場型H平面HPBW直角座標圖 97 圖 4 62、8×1 30MHz陣列天線於自由空間之輻射場型 98 圖 4 63、8×1 30MHz陣列天線於地平面之輻射場型 98 圖 4 64、8×1 30MHz陣列天線波束東-西向極座標剖面圖 99 圖 4 65、8×1 30MHz陣列天線波束東-西向直角座標剖面圖 99 圖 4 66、8×1 30MHz陣列天線波束南-北向極座標剖面圖 100 圖 4 67、8×1 30MHz陣列天線波束南-北向直角座標剖面圖 100 圖 4 68、天線間距d＝0.5λ、0.7λ、0.8λ、0.9λ、λ、1.5λ之8×1 30MHz陣列天線波束東-西向極座標剖面比較圖 101 圖 4 69、天線面平行於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線輻射場型 102 圖 4 70、天線面垂直於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線輻射場型 102 圖 4 71、天線面平行於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線波束東-西向剖面圖 103 圖 4 72、天線面平行於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線波束南-北向剖面圖 103 圖 4 73、天線面垂直於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線波束東-西向剖面圖 104 圖 4 74、天線面垂直於陣列排列之8×1 30MHz陣列天線波束南-北向剖面圖 104 圖 4 75、扇形波束傾斜6度天頂角之8×1 30MHz天線之輻射場型 105 圖 4 76、扇形波束傾斜30度天頂角之8×1 30MHz天線之輻射場型半功率波束寬理論值與模擬值之比較 105 圖 5 1、同軸電纜傳輸線示意圖 114 圖 5 2、中壢8×8 ST陣列天線1：8分配器(第一級) 122 圖 5 3、中壢8×8 ST陣列天線相位控制器與1：8分配器(第二級) 123 圖 5 4、1：2分配器實體圖 124 圖 5 5、1：4分配器實體圖 124 圖 5 6、ST陣列天線的相位控制器模組電路圖 125 圖 5 7、相位控制器介面電路圖 126 圖 5 8、相位控制器模組實體圖 127 圖 5 9、相位控制器介面電路板 127 圖 5 10、相位控制器功能測試盒 127 圖 5 11、中壢4×8電離層陣列天線1：32分配器與移相位器 128 圖 5 12、波束傾斜38度移相位器的不同長度電纜線相對於8排陣列天線對照圖 129 圖 5 13、波束傾斜41度移相位器的不同長度電纜線相對於8排陣列天線對照圖 129 圖 6 1、單態與雙態模式示意圖 134 圖 6 2、雙/多態雷達示意圖 134 圖 6 3、中壢 30 MHz雷達系統方塊圖 161 圖 6 4、雙態雷達發射端系統實體圖 165 圖 6 5、VT12B 12KW脈波發射機 165 圖 6 6、1.5KW功率放大器模組實體圖 166 圖 6 7、發射機激勵器模組實體圖 166 圖 6 8、接收機次系統方塊圖 167 圖 6 9、低雜訊放大器(LNA)實體圖 圖6 10、接收機降頻轉換器模組實體圖 167 圖 6 11、直接數位頻率合成器(DDS)模組實體圖 168 圖 6 12、發射及接收系統方塊圖 168 圖 6 13、發射機與接收機系統箱櫃實體圖 169 圖 6 14、30MHz雷達發射天線的同軸電纜線返回損耗(Return Loss)特性量測圖 170 圖 6 15、30MHz雷達接收天線的同軸電纜線返回損耗(Return Loss)特性量測圖 170 圖 6 16、資料擷取系統正面圖 171 圖 6 17、資料擷取與雷達控制系統方塊圖 172 圖 6 18、維護模式之軟體圖形人機介面 173 圖 6 19、規劃實驗參數之圖形人機介面 173 圖 6 20、銣原子鐘標準頻率訊號源(PRS10)實體圖 174 圖 6 21、30MHz雷達輸出10μs方形脈波功率頻譜圖 175 圖 6 22、30MHz雷達輸出20μs方形脈波功率頻譜圖 175 圖 6 23、30MHz雷達輸出10μs高斯脈波功率頻譜圖 （頻譜範圍：30±0.25 MHz，輸出信號連接-70dB衰減器） 176 圖 6 24、30MHz雷達輸出10μs高斯脈波功率頻譜圖（頻譜範圍：30±25 MHz，輸出信號連接-70dB衰減器） 176 圖 6 25、實驗觀測參數設定－1 177 圖 6 26、實驗觀測參數設定－2 178 圖 6 27、波道RX1於距離113Km接收到的低密度流星尾回波，生命週期約0.5秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 179 圖 6 28、波道RX2於距離113Km接收到的低密度流星尾回波，生命週期約0.5秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 180 圖 6 29、波道RX3於距離113Km接收到的低密度流星尾回波，生命週期約0.5秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 181 圖 6 30、波道RX4於距離113Km接收到的低密度流星尾回波，生命週期約0.5秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 182 圖 6 31、波道RX1接收到的Es不規則體與流星尾RTI圖 183 圖 6 32、波道RX2接收到的Es不規則體與流星尾RTI圖 183 圖 6 33、波道RX3接收到的Es不規則體與流星尾RTI圖 184 圖 6 34、波道RX4接收到的Es不規則體與流星尾RTI圖 184 圖 6 35、波道RX1接收到的Es不規則體與流星尾RDI圖 185 圖 6 36、波道RX2接收到的Es不規則體與流星尾RDI圖 185 圖 6 37、波道RX3接收到的Es不規則體與流星尾RDI圖 186 圖 6 38、波道RX4接收到的Es不規則體與流星尾RDI圖 186 圖 6 39、RDAS顯示波道RX1的流星尾回波RTI圖 187 圖 6 40、RDAS顯示波道RX2的流星尾回波RTI圖 187 圖 6 41、RDAS顯示波道RX3的流星尾回波RTI圖 188 圖 6 42、RDAS顯示波道RX4的流星尾回波RTI圖 188 圖 6 43、波道RX1於距離125Km接收到的高密度流星尾回波，生命週期約0.4秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 189 圖 6 44、波道RX2於距離125Km接收到的高密度流星尾回波，生命週期約0.4秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 190 圖 6 45、波道RX3於距離125Km接收到的高密度流星尾回波，生命週期約0.4秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 191 圖 6 46、波道RX4於距離125Km接收到的高密度流星尾回波，生命週期約0.4秒，最上方圖形為I&Q原始資料 ( 紅色線為In-phase channel，藍色線為Quadrature channel )，中間圖形為相位變化，最下方為回波功率的大小 192 圖 6 47、波道RX1接收到的高密度流星尾RTI圖 193 圖 6 48、波道RX2接收到的高密度流星尾RTI圖 193 圖 6 49、波道RX3接收到的高密度流星尾RTI圖 194 圖 6 50、波道RX4接收到的高密度流星尾RTI圖 194 圖 6 51、波道RX1接收到的高密度流星尾RDI圖 195 圖 6 52、波道RX2接收到的高密度流星尾RDI圖 195 圖 6 53、波道RX3接收到的高密度流星尾RDI圖 196 圖 6 54、波道RX4接收到的高密度流星尾RDI圖 196 圖 6 55、波道RX1接收到的Es不規則體RTI圖 197 圖 6 56、波道RX2接收到的Es不規則體RTI圖 197 圖 6 57、波道RX3接收到的Es不規則體RTI圖 198 圖 6 58、波道RX4接收到的Es不規則體RTI圖 198 圖 6 59、波道RX1接收到的Es不規則體RDI圖 199 圖 6 60、波道RX2接收到的Es不規則體RDI圖 199 圖 6 61、波道RX3接收到的Es不規則體RDI圖 200 圖 6 62、波道RX4接收到的Es不規則體RDI圖 200 圖 6 63、波道RX1接收到的降水回波RDI圖 201 圖 6 64、波道RX2接收到的降水回波RDI圖 201 圖 6 65、波道RX3接收到的降水回波RDI圖 202 圖 6 66、波道RX4接收到的降水回波RDI圖 202 圖 6 67、宇宙噪音溫度曲線圖 [Kraus，Radio Astronomy，1986] 203 圖 6 68、噪音曲線圖 [Skolnik，1990] 204 表 目 錄 表 4 1、各類型地平面的電氣常數值 52 表 4 2、8×8 ST 陣列天線於不同類型地平面的半功率波束寬與增益 66 表 4 3、各陣列天線輻射場型的增益(G)、傾斜天頂角(θ0) 與 南-北向 ( N－S Δθ3dB)及 東-西向 ( E－W Δ 3dB)半功率波束寬之比較表： 111 表 6 1、各類型振盪器特性與價格比較表 [Vig , 1998] 139 表 6 2、中壢30 MHz 雷達系統規格概述 162 表 6 3、中壢30 MHz 雷達系統規格概述(繼續) 163 表 6 4、中壢30 MHz 雷達系統規格概述(繼續) 164

    參考文獻
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