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高频海洋雷达利用垂直极化的电磁波能够沿导电海洋表面绕射的传播特点，可以全天候、超视距、实时地探测大面积海域的表面动力学参数，使其在“全国海洋观测网络”中占据重要地位。由于高频段电磁波波长与低空飞机、舰船、冰山等硬目标尺寸相当，高频海洋雷达在目标探测领域也得到了广泛研究与应用。
天线系统是高频海洋雷达间最具差异的部分。现有高频海洋雷达主要依据接收天线形式的不同分为阵列式和紧凑型两类。阵列式雷达采用相控阵体制，具有大口径窄波束的特点，天线阵列占地面积长达百米。紧凑型系统采用单极子/交叉环接收天线系统，接收阵列占地面积仅与单根天线杆相当，具有极小口径宽波束的特点，能够适应于蜿蜒复杂的海岸线，成本低廉易于维护。配合超分辨率测向算法，紧凑型高频海洋雷达对海洋表面流的探测精度可与大口径阵列式系统相媲美，但是对海浪和硬目标的探测效果逊于相控阵体制。随着电子技术的发展，无论是海态环境监测还是硬目标探测领域，双频/多频工作模式都是高频海洋雷达的主要发展方向，能够在以下三方面大幅提升高频海洋雷达性能：
1)适应不同海况。低频率电磁波具有更高浪高测量上限，能够对台风、海啸等极端海情进行预警，同时探测距离更远。高频率能够精细地探测低海况和常规海况下的海面状态。
2)提升硬目标探测能力。不同波长的电磁波能够与不同尺寸的硬目标发生谐振，降低雷达漏警率。多频工作还能够避免硬目标与海杂波重叠，提升目标检测和海态反演性能。
3)改善抗干扰能力。多频工作能够有效改善高频海洋雷达对外界强背景噪声和射频干扰、电离层干扰的抗干扰能力。
现有紧凑型高频海洋雷达受其天线系统限制，只能工作在单频窄带模式，双频/多频工作模式均依靠增加雷达数目实现。本文在充分研究了紧凑型高频海洋雷达系统的基础上，设计并研制了一套双频紧凑型天线系统，既继承了紧凑型天线系统的极小阵列口径、结构紧凑、成本低廉的优势，还扩展了选频范围，摆脱了对地面电特性的依赖，提升了波束指向性能。主要的研究工作主要集中于以下几个方面：
1)设计并研制了双频中馈发射天线，包括设计方法、数学模型和样机测量。首先在设计方法上，分别提出了用集总加载陷波器技术实现单杆天线双频段工作、增加一个外部套筒改善振子的阻抗特性实现宽频带、合理设计根部扼流圈和传输线变压器实现对地无关特性。其次利用傅里叶级数法对其电特性进行建模分析。最后制作了天线样机对多种配置进行测量，验证设计方法与数学模型的正确性。仿真和实测结果均表明研制的双频发射天线的VSWR<2带宽范围能够覆盖6-8MHz和11-13MHz两个频段，相对频带宽度分别为30%和24%，并且不需要铺设地网系统。
2)设计并研制了双频矢量传感器，包括实际噪声系数分析、电气特性研究、辐射特性研究及样机测量。首先研究了高频段接收天线的实际噪声系数，作为高频段接收天线小型化的理论依据。其次充分研究了有源环天线的电气特性，提出了具有理想开关电路特性的PIN二极管对管方案，使有源环天线能够分时工作在两个频段。最后提出了新型的“口字型”正交环布局方式，实测结果证明该布局方式能够提升天线增益、两环正交性、抗环境干扰能力。
3)为了验证双频矢量传感器在实际环境中的方向特性，建立了“室内-操场-岸基”三级方向性图的测量流程。在前两级测量流程中，结合方向性图幅相校准方法，深入研究各种设计方案的实际方向特性，结果表明新型“口字型”布局的双频矢量传感器方向特性最优。在岸基雷达站测量并验证了新型传感器在双频段均具有良好的方向特性，且探测性能满足雷达系统应用要求。最后完成了双频海洋表面流场反演，双频段最大探测距离分别达到了200km和100km，径向流速与浮标数据的相关系数为0.89和0.91，均方根误差为16.97cm/s和15.68cm/s。全面验证了双频天线系统设计的有效性。
4)研究了二元双频矢量传感器阵列的波束形成算法。在双频矢量传感器能够有效反演流场之后，将其进行组阵以提升浪场探测能力。首先详细分析了新型二元阵列兼有二元直线阵和矢量传感器的特点，能够突破半波长组阵，作为双频组阵的理论基础。随后结合紧凑型高频海洋雷达的信号处理特点，提出了二元双频矢量传感器阵列的稳健自适应波束形成算法，包括用协方差矩阵重构算法突破阵列口径的限制，以及用导向矢量失配校准算法克服方向性图失配。最后根据仿真分析得出的12-16m组阵间距最优的结论，利用实测方向性图构造了阵列间距为16m的7.8/13MHz二元双频阵列模型，采用该算法后双频段对应的阵列方向图分别在(-100°,100°)和(-50°,50°)范围内保持与法向方位相当的主瓣宽度，在其余方位仍然能够得到比常规波束形成更好的波束指向性能。
天线系统是高频海洋雷达间最具差异的部分。现有高频海洋雷达主要依据接收天线形式的不同分为阵列式和紧凑型两类。阵列式雷达采用相控阵体制，具有大口径窄波束的特点，天线阵列占地面积长达百米。紧凑型系统采用单极子/交叉环接收天线系统，接收阵列占地面积仅与单根天线杆相当，具有极小口径宽波束的特点，能够适应于蜿蜒复杂的海岸线，成本低廉易于维护。配合超分辨率测向算法，紧凑型高频海洋雷达对海洋表面流的探测精度可与大口径阵列式系统相媲美，但是对海浪和硬目标的探测效果逊于相控阵体制。随着电子技术的发展，无论是海态环境监测还是硬目标探测领域，双频/多频工作模式都是高频海洋雷达的主要发展方向，能够在以下三方面大幅提升高频海洋雷达性能：
1)适应不同海况。低频率电磁波具有更高浪高测量上限，能够对台风、海啸等极端海情进行预警，同时探测距离更远。高频率能够精细地探测低海况和常规海况下的海面状态。
2)提升硬目标探测能力。不同波长的电磁波能够与不同尺寸的硬目标发生谐振，降低雷达漏警率。多频工作还能够避免硬目标与海杂波重叠，提升目标检测和海态反演性能。
3)改善抗干扰能力。多频工作能够有效改善高频海洋雷达对外界强背景噪声和射频干扰、电离层干扰的抗干扰能力。
现有紧凑型高频海洋雷达受其天线系统限制，只能工作在单频窄带模式，双频/多频工作模式均依靠增加雷达数目实现。本文在充分研究了紧凑型高频海洋雷达系统的基础上，设计并研制了一套双频紧凑型天线系统，既继承了紧凑型天线系统的极小阵列口径、结构紧凑、成本低廉的优势，还扩展了选频范围，摆脱了对地面电特性的依赖，提升了波束指向性能。主要的研究工作主要集中于以下几个方面：
1)设计并研制了双频中馈发射天线，包括设计方法、数学模型和样机测量。首先在设计方法上，分别提出了用集总加载陷波器技术实现单杆天线双频段工作、增加一个外部套筒改善振子的阻抗特性实现宽频带、合理设计根部扼流圈和传输线变压器实现对地无关特性。其次利用傅里叶级数法对其电特性进行建模分析。最后制作了天线样机对多种配置进行测量，验证设计方法与数学模型的正确性。仿真和实测结果均表明研制的双频发射天线的VSWR<2带宽范围能够覆盖6-8MHz和11-13MHz两个频段，相对频带宽度分别为30%和24%，并且不需要铺设地网系统。
2)设计并研制了双频矢量传感器，包括实际噪声系数分析、电气特性研究、辐射特性研究及样机测量。首先研究了高频段接收天线的实际噪声系数，作为高频段接收天线小型化的理论依据。其次充分研究了有源环天线的电气特性，提出了具有理想开关电路特性的PIN二极管对管方案，使有源环天线能够分时工作在两个频段。最后提出了新型的“口字型”正交环布局方式，实测结果证明该布局方式能够提升天线增益、两环正交性、抗环境干扰能力。
3)为了验证双频矢量传感器在实际环境中的方向特性，建立了“室内-操场-岸基”三级方向性图的测量流程。在前两级测量流程中，结合方向性图幅相校准方法，深入研究各种设计方案的实际方向特性，结果表明新型“口字型”布局的双频矢量传感器方向特性最优。在岸基雷达站测量并验证了新型传感器在双频段均具有良好的方向特性，且探测性能满足雷达系统应用要求。最后完成了双频海洋表面流场反演，双频段最大探测距离分别达到了200km和100km，径向流速与浮标数据的相关系数为0.89和0.91，均方根误差为16.97cm/s和15.68cm/s。全面验证了双频天线系统设计的有效性。
4)研究了二元双频矢量传感器阵列的波束形成算法。在双频矢量传感器能够有效反演流场之后，将其进行组阵以提升浪场探测能力。首先详细分析了新型二元阵列兼有二元直线阵和矢量传感器的特点，能够突破半波长组阵，作为双频组阵的理论基础。随后结合紧凑型高频海洋雷达的信号处理特点，提出了二元双频矢量传感器阵列的稳健自适应波束形成算法，包括用协方差矩阵重构算法突破阵列口径的限制，以及用导向矢量失配校准算法克服方向性图失配。最后根据仿真分析得出的12-16m组阵间距最优的结论，利用实测方向性图构造了阵列间距为16m的7.8/13MHz二元双频阵列模型，采用该算法后双频段对应的阵列方向图分别在(-100°,100°)和(-50°,50°)范围内保持与法向方位相当的主瓣宽度，在其余方位仍然能够得到比常规波束形成更好的波束指向性能。