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摘要：国内常规高空探测站共120个，其中绝大多数站点采用GFE（L）1型二次测风雷达，在工作期间偶尔会出现探空飞点增多、斜距跟踪不上，旁瓣抓球、丢球等异常现象发生，其中有很多因素都会导致这种信号干扰，文章从射频电缆的内部电导率和外部电磁屏蔽两个方向进行分析，通过重新设计屏蔽材料并对中心导体进行镀银处理，以降低电缆内部自身损耗及外部电磁环境干扰。

关键词：L波段探空雷达；射频电缆；趋肤效应；电磁屏蔽效能

1 高空探测系统发展现状

1996年，我国开始研究和发展新的L波段二次测风雷达一电子探空仪系统。2002年，我国第一部L波段高空气象观测系统在北京观象台正式投入业务使用。相较于老式59-701系统，新型高空探测系统无论是在垂直分辨率、测距精度、或者侧角精度上都有非常大的提升^[1]，而且具有更好的数据一致性，探空数据也更加准确。

截至2024年底，我国共有131个常规高空探测站，其中绝大多数站点采用GFE（L）1型二次测风雷达简称L波段探空雷达。

L波段探空雷达是跟踪探空气球来测风的，探空气球上带有无线电回答器（简称回答器）升空，测量时探空雷达在地面向它发出“询问信号”，回答器就对应地发回“回答信号”。根据每一对询问与回答信号之间的时间间隔和回答信号的来向，就可以测定每一瞬间探空气球在空间的位置，即它离雷达站的直线距离、方位角、仰角，然后根据气球随风飘移的情况，就可推算出高空的风向、风速与探空仪配合工作。当探空气球携带探空仪升空后，在上升途中探空仪自动发出温度、气压和湿度的无线电信号，被二次测风雷达接收。在这个过程中，当二次测风雷达发射的“询问脉冲”被探空仪接收后，探空仪立即发出“回答脉冲”。雷达据此连续跟踪探空气球及探空仪，便可获得空中不同高度的温度、气压、湿度数据，根据探空仪位置的变化计算出不同高度上的风向和风速。

L波段探空雷达的测距原理如图1所示，雷达的“询问信号”（即发射脉冲）从雷达天线发射出去，按图中箭头所指方向到达探空气球，气球上的“探空仪”随即产生一个应答信号，并按原路返回，被雷达天线所接收。只要知道无线电波从雷达站到气球之间的往返时间，然后用这个时间的一半去乘无线电波的传播速度，就可以计算出探空气球与雷达站之间的距离。

图1 L波段探空雷达示意图

2  L波段雷达射频电缆存在的问题

整套雷达分为室外和室内两大部分。室外部分如图2称为天线装置，由撑脚、天线座、立柱、俯仰减速箱、天线阵、和差箱、近程发射机、摄像机等组成。天线装置可置于地面上，也可置于楼顶平台上。而室内部分如图3则由主控箱、驱动箱、示波器、微机、UPS电源组成。其中室外、室内部分由6根50m电缆相连。

图2 L波段探空雷达室外部分实物图

图3 L波段探空雷达室内部分实物图

L波段探空雷达室外部分主体共有十个分系统，它们分别是：天馈线分系统、发射分系统、接收分系统、测距分系统、测角分系统、天控分系统、终端分系统、自检译码分系统、发射/显示控制、电源分系统。

其中主要负责信号获取的是天馈线分系统：该分系统的功能是将发射机产生的高频电磁能有效地传输到天线，并由天线向空间辐射，同时将回答器发回的射频信号由天线接收下来，并有效地传输到接收机。

实际在探空作业中会出现探空飞点增多、斜距跟踪不上，旁瓣抓球、丢球等现象发生，这是由多方面问题共同造成的，本文主要针对暴露在机体外部的射频电缆进行研究，从两个方面来进行分析并改进以减小外界电磁信号对雷达的干扰，一定程度上减少探空作业异常的情况发生。

2.1自身电导率方面

目前国内大多数探空站使用的都是GFE（L）1型二次测风雷达，其射频电缆WT8的中心导体为七股铜线编织。当雷达工作时其主要负责1675±6Mhz的高频信号传输，由于趋肤效应的存在，电流只在金属表层流动，导致中心铜导线内部电流密度较低，特性阻抗较高，信号在传输过程中衰减较大^[2]。

2.2电磁屏蔽方面

由于L波段雷达工作频率范围较宽，在1669~ 1681Mhz之间，因此较容易接收到L波段雷达正常工作频率波段内的其它电磁波^[3]，当这些强信号干扰进入接收系统，会覆盖主信号或影响信号正常接收，直接干扰主信号的接收与处理^[2]。

3  内部特征阻抗的改进

根据麦克斯韦方程组可知平面波垂直入射至导体后，导体内部电流密度发生衰减，根据这种衰减规律来描述趋肤效应^[4]，而信号传输线缆中存在的趋肤效应会直接影响线缆的传输性能。趋肤效应会导致导体损耗增加，这是因为交流电在导体中的分布不均匀，电流主要集中在导体表面，导致导体的有效截面积减小。这种效应在高频交流电路中尤为明显，因为趋肤深度（电流分布的深度）与频率的平方根成反比，频率越高，趋肤深度越小，电流越集中于表面。结果，导体的电阻增加，从而增加了导体的热损耗。这种损耗在高电流或高频率的应用中尤为重要，需要通过设计来优化，比如通过调整导体的形状或使用特殊的材料来减少损耗。

根据理论计算，为使射频电缆中心导体信号损耗减小，建议采用电镀工艺对中心铜线缆进行镀银工艺处理。参考《SJ 20818-2002电子设备的金属镀覆与化学处理》标准要求，室外规定镀层厚度要求为15μm，而WT8电缆中信号的趋肤深度计算得出约为1.59μm，所以基本电镀工艺足以满足WT8电缆的信号传输需求。

4外层屏蔽织物的改良

4.1  现有WT8射频电缆外层屏蔽效能

电磁屏蔽织物一般要求是导电织物，而金属良导体具有优异的电导率、易拉伸、能镀覆等优点在早期备受研究者青睐。如今，金属基电磁屏蔽织物制备方法成熟且部分已得到商用化。金属基电磁屏蔽织物可分为金属纤维电磁屏蔽织物和金属镀层电磁屏蔽织物^[5]。

WT8电缆目前采用铜为基底的金属纤维织物包覆来进行屏蔽电磁波，利用金属纤维的导电性在织物表面形成导电网格来屏蔽电磁波，在1820 ~ 2600 MHz频率范围内的电磁屏蔽效能为20 ~ 55 dB。

4.2外层电磁屏蔽材料遴选

电磁屏蔽织物的早期研究主要集中在金属纤维上，利用金属的优良导电性来反射电磁波，实现屏蔽效果。这些织物通常由不锈钢、银等金属纤维与普通纺织纤维混纺或交织而成，虽然具有一定的屏蔽效能，但存在舒适性差、柔韧性不足等问题。

随着导电高聚物的发现，如聚苯胺、聚吡咯等，研究者开始探索这些材料在电磁屏蔽织物中的应用。这些高聚物可以通过涂覆的方式应用于织物表面，提供了更好的柔韧性和轻质性，但依然存在耐久性和成本问题^[6]。

碳系材料如碳纳米管、石墨烯的出现，为电磁屏蔽织物的发展带来了新的可能性。这些材料具有优异的导电性和机械性能，能够形成更致密的导电网络，提高屏蔽效能。同时，通过化学镀或磁控溅射技术，金属镀层织物也开始被广泛研究，这些织物结合了金属和纤维的优点，屏蔽效能显著提升。

   根据L波段探空雷达的工作频率，以及材料对电磁波的吸收能力，参考表1及表2数据拟选用铜/聚苯胺/涤纶作为外层电磁屏蔽材料。

图5铜/聚苯胺/涤纶复合织物屏蔽效能^[17]

参考图5可知该材料在30至3000 MHz有着100dB左右的屏蔽效能，同时聚苯胺有着较强的电磁波吸收能力可以防止对于其他L波段设备进行电磁反射污染。对比电磁波纺织品行业标准“FTTS-FA-03”, 铜/聚苯胺/涤纶复合织物的电磁屏蔽效能在专业用途能达到5A级别^[17]。

5  解决方案

本文着眼L波段探空雷达经常出现探空飞点增多、斜距跟踪不上、旁瓣抓球丢球等异常情况，以射频电缆为突破口，从内部电导率和外部电磁屏蔽两个方向入手提出了设计一款新型L波段雷达WT8射频电缆的解决方案。

图6 新型WT8射频电缆刨面图

中心导体外表面增加了镀银层，利用银的高导电性能降低趋肤效应，减少信号衰减，提高导电率，改善信噪比。屏蔽层由铜线、聚苯胺线和涤纶线绞合而成的复合编织线构成，提供良好的电磁屏蔽效果，减少外界电磁干扰，同时保持电缆的柔韧性和耐用性。聚氯乙烯保护层内部设置有多个内嵌槽，内嵌槽内连接有加强筋，这些加强筋与聚氯乙烯保护层挤塑成型，采用钢丝制成，显著增强了电缆的结构强度和整体机械强度，提高了耐用性。这种新型雷达射频电缆的设计考虑了信号传输效率和电缆的物理强度，使其在雷达系统等对信号传输质量要求极高的应用场景中表现出色。通过优化设计，该电缆不仅提升了信号传输质量，还增强了抵抗外界环境影响的能力，延长了使用寿命，具有显著的实用价值和市场潜力。

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苏兆军 周岩 向亚飞

青海省大气探测技术保障中心，西宁

盛嘉誉

西宁市气象局 西宁

任俊勇

达日县气象局