雷達(dá)原理第七章角測量

第六章作業(yè)解析現(xiàn)在是1頁\一共有188頁\編輯于星期四第六章作業(yè)解析現(xiàn)在是2頁\一共有188頁\編輯于星期四第六章作業(yè)解析現(xiàn)在是3頁\一共有188頁\編輯于星期四第七章角度測量V網(wǎng):66286

西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院黃傳波現(xiàn)在是4頁\一共有188頁\編輯于星期四角度測量主要內(nèi)容 測角方法 波束的掃描方法 相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字雷達(dá)三坐標(biāo)雷達(dá) 自動測角原理和方法現(xiàn)在是5頁\一共有188頁\編輯于星期四本章知識點(diǎn)雷達(dá)測角的理論基礎(chǔ)、相位法測角原理振幅法測角的基本原理、三天線相位法測角原理天線波束基本形狀、天線波束掃描基本方法天線相位掃描、頻率掃描、時間延遲掃描法的基本工作原理相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字雷達(dá)及三坐標(biāo)雷達(dá)基本工作原理、常見的多波束形成技術(shù)雷達(dá)目標(biāo)高度測量的計(jì)算圓錐掃描自動測角基本原理、單脈沖自動測角基本原理角度測量現(xiàn)在是6頁\一共有188頁\編輯于星期四本章重點(diǎn)相位法測角原理、三天線相位法測角原理振幅法測角的基本原理天線相位、頻率及時間延遲掃描法的基本原理相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字雷達(dá)及三坐標(biāo)雷達(dá)基本原理角度測量現(xiàn)在是7頁\一共有188頁\編輯于星期四7.1概述7.2測角方法及其比較7.3天線波束的掃描方法7.4相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字雷達(dá)及三坐標(biāo)雷達(dá)7.5自動測角的原理和方法角度測量現(xiàn)在是8頁\一共有188頁\編輯于星期四一、雷達(dá)角度坐標(biāo)的確定方位角α，高低角β絕對坐標(biāo)表示法：方位角α——基準(zhǔn)為正北，順時針方向?yàn)檎叩徒铅隆鶞?zhǔn)為水平面，向上方向?yàn)檎鄬ψ鴺?biāo)表示法：測出目標(biāo)相對于天線軸線的偏離角，再根據(jù)天線軸線的實(shí)際角度，計(jì)算出目標(biāo)實(shí)際角度。7.1概述

現(xiàn)在是9頁\一共有188頁\編輯于星期四二、測角的物理基礎(chǔ)電磁波在均勻介質(zhì)中以光速勻速直線傳播雷達(dá)天線具有方向性三、實(shí)際空間電磁波傳播非線性影響實(shí)際空氣介質(zhì)的非均勻性使電磁波傳播軌跡彎曲近距離測角，影響可以忽略遠(yuǎn)距離測角，測量數(shù)據(jù)必須修訂7.1概述

現(xiàn)在是10頁\一共有188頁\編輯于星期四四、天線方向圖近似表示天線的方向性用方向性函數(shù)表示——電場強(qiáng)度幅度的歸一化余弦函數(shù)7.1概述

現(xiàn)在是11頁\一共有188頁\編輯于星期四高斯函數(shù)7.1概述

現(xiàn)在是12頁\一共有188頁\編輯于星期四辛克函數(shù)7.1概述

現(xiàn)在是13頁\一共有188頁\編輯于星期四五、天線方向圖的主要技術(shù)指標(biāo)半功率波束寬度θ0.5[F(θ0.5)≈0.707]——影響測角精度副瓣電平——影響雷達(dá)的抗干擾性能7.1概述

現(xiàn)在是14頁\一共有188頁\編輯于星期四六、雷達(dá)測角性能的度量測角范圍測角速度角度分辨力測角準(zhǔn)確度測角精度7.1概述

現(xiàn)在是15頁\一共有188頁\編輯于星期四角度分辨力——雷達(dá)將相同距離上相互靠近的兩個目標(biāo)區(qū)分開的最小角度。θ0.5角度分辨力由天線半功率波束寬度決定7.1概述

現(xiàn)在是16頁\一共有188頁\編輯于星期四測角方法振幅法相位法最大信號法等信號法最小信號法兩天線相位法三天線相位法7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是17頁\一共有188頁\編輯于星期四7.2測角方法及其比較

7.2.1相位法測角1.基本原理

相位法測角利用多個天線所接收回波信號之間的相位差進(jìn)行測角。如圖7.1,設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo),則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d,故它們所收到的信號由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一相位差φ,(7.2.1)其中λ為雷達(dá)波長。如用相位計(jì)進(jìn)行比相,測出其相位差φ,就可以確定目標(biāo)方向θ。圖7.1相位法測角方框圖現(xiàn)在是18頁\一共有188頁\編輯于星期四

由于在較低頻率上容易實(shí)現(xiàn)比相,故通常將兩天線收到的高頻信號經(jīng)與同一本振信號差頻后,在中頻進(jìn)行比相。設(shè)兩高頻信號為

u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信號為

uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ為兩信號的相位差；φL為本振信號初相。u1和uL差頻得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是19頁\一共有188頁\編輯于星期四u2與uL差頻得

uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可見，兩中頻信號uI1與uI2之間的相位差仍為φ。

圖7.2。接收信號經(jīng)過混頻、放大后再加到相位比較器中進(jìn)行比相。其中自動增益控制電路用來保證中頻信號幅度穩(wěn)定,以免幅度變化引起測角誤差。

圖7.2相位法測角方框圖

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是20頁\一共有188頁\編輯于星期四

為便于討論,設(shè)變壓器的變壓比為1∶1,電壓正方向如圖7.3(a)所示,相位比較器輸出端應(yīng)能得到與相位差φ成比例的響應(yīng)。為此目的,當(dāng)相位差為φ的兩高頻信號加到相位檢波器之前,其中之一要預(yù)先移相

90°。因此相位檢波器兩輸入信號為u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2=cos(ωt-90°)圖7.3二極管相位檢波器電路及矢量圖(a)電路;(b)U2>>U1;(c)U2=1/2U1

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是21頁\一共有188頁\編輯于星期四U1、U2為u1、u2的振幅,通常應(yīng)保持為常值?，F(xiàn)在u1在相位上超前u2的數(shù)值為(90°-φ)。由圖7.3(a)知：

7.2測角方法及其比較

圖7.3二極管相位檢波器電路及矢量圖(a)電路;(b)U2>>U1;(c)U2=1/2U1

現(xiàn)在是22頁\一共有188頁\編輯于星期四當(dāng)選取U2>>U1時,由矢量圖7.3(b)可知圖7.3二極管相位檢波器電路及矢量圖(a)電路;(b)U2>>U1;(c)U2=1/2U1

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是23頁\一共有188頁\編輯于星期四故相位檢波器輸出電壓為

其中Kd為檢波系數(shù)。由式(7.2.2)可畫出相位檢波器的輸出特性曲線,如圖7.4(a)所示。測出Uo,便可求出

。顯然,這種電路的單值測量范圍是-π/2~π/2。當(dāng)

＜30°,Uo≈KdU1,輸出電壓Uo與近似為線性關(guān)系。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是24頁\一共有188頁\編輯于星期四當(dāng)選取1/2U1=U2時,由矢量圖7.3(c)可求得:

則輸出

輸出特性如圖7.4(b)所示,與Uo有良好的線性關(guān)系,但單值測量范圍仍為-π/2~π/2。為了將單值測量范圍擴(kuò)大到2π,電路上還需采取附加措施。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是25頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.4相位檢波器輸出特性(a)U2>>U1;(b)U2=1/2U17.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是26頁\一共有188頁\編輯于星期四2.測角誤差與多值性問題

相位差φ值測量不準(zhǔn),將產(chǎn)生測角誤差,它們之間的關(guān)系如下［將式(7.2.1)兩邊取微分］:(7.2.3)由式(7.2.3)看出,

采用讀數(shù)精度高(dφ小)的相位計(jì),或減小λ/d值(增大d/λ值),均可提高測角精度。也注意到：當(dāng)θ=0時,即目標(biāo)處在天線法線方向時,測角誤差dθ最小。當(dāng)θ增大,dθ也增大,為保證一定的測角精度,θ的范圍有一定的限制。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是27頁\一共有188頁\編輯于星期四

增大d/λ雖然可提高測角精度,但由式(7.2.1)可知,在感興趣的θ范圍(測角范圍)內(nèi),當(dāng)d/λ加大到一定程序時,φ值可能超過2π,此時φ=2πN+ψ,其中N為整數(shù);ψ＜2π,而相位計(jì)實(shí)際讀數(shù)為ψ值。由于N值未知,因而真實(shí)的φ值不能確定,就出現(xiàn)多值性(模糊)問題。必須解決多值性問題,即只有判定N值才能確定目標(biāo)方向。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是28頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.5三天線相位法測角原理示意圖

比較有效的辦法是利用三天線測角設(shè)備,間距大的1、3天線用來得到高精度測量,而間距小的1、2天線用來解決多值性,如圖7.5所示。7.2測角方法及其比較

1、2天線間距小滿足單值測角范圍1、3天線間距大保證測角精度高現(xiàn)在是29頁\一共有188頁\編輯于星期四

設(shè)目標(biāo)在θ方向。天線1、2之間的距離為d12,天線1、3之間的距離為d13,適當(dāng)選擇d12,使天線1、2收到的信號之間的相位差在測角范圍內(nèi)均滿足:(7.2.4)φ12由相位計(jì)1讀出。

根據(jù)要求,選擇較大的d13,則天線1、3收到的信號的相位差為

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是30頁\一共有188頁\編輯于星期四

由相位計(jì)2讀出,但實(shí)際讀數(shù)是小于2π的ψ。為了確定N值,可利用如下關(guān)系:(7.2.5)根據(jù)相位計(jì)1的讀數(shù)可算出,但包含有相位計(jì)的讀數(shù)誤差,由式(7.2.5)標(biāo)出的具有的誤差為相位計(jì)誤差的d13/d12倍,它只是式(7.2.4)的近似值,只要的讀數(shù)誤差值不大,就可用它確定N,即把(d13/d12)除以2π,所得商的整數(shù)部分就是N值。然后由式(7.2.4)算出并確定θ。由于d13/λ值較大,保證了所要求的測角精度。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是31頁\一共有188頁\編輯于星期四7.2.2振幅法測角

1.最大信號法

當(dāng)天線波束作圓周掃描或在一定扇形范圍內(nèi)作勻角速掃描時,對收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達(dá)而言,接收機(jī)輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數(shù)所調(diào)制。找出脈沖串的最大值(中心值),確定該時刻波束軸線指向即為目標(biāo)所在方向,如圖7.6(b)的①所示。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是32頁\一共有188頁\編輯于星期四

在人工錄取的雷達(dá)里,操縱員在顯示器畫面上看到回波最大值的同時,讀出目標(biāo)的角度數(shù)據(jù)。采用平面位置顯示(PPI)二度空間顯示器時,掃描線與波束同步轉(zhuǎn)動,根據(jù)回波標(biāo)志中心(相當(dāng)于最大值)相應(yīng)的掃描線位置,借助顯示器上的機(jī)械角刻度或電子角刻度讀出目標(biāo)的角坐標(biāo)。

這樣,天線軸線(最大值)掃過目標(biāo)方向(θt)時,不一定有回波脈沖,就是說,Δθs將產(chǎn)生相應(yīng)的“量化”測角誤差。如天線轉(zhuǎn)動角速度為ωar/min,脈沖雷達(dá)重復(fù)頻率為fr,則兩脈沖間的天線轉(zhuǎn)角為7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是33頁\一共有188頁\編輯于星期四

在自動錄取的雷達(dá)中,可以采用以下辦法讀出回波信號最大值的方向:一般情況下,天線方向圖是對稱的,因此回波脈沖串的中心位置就是其最大值的方向。測讀時可先將回波脈沖串進(jìn)行二進(jìn)制量化,其振幅超過門限時取“1”,否則取“0”,如果測量時沒有噪聲和其它干擾,就可根據(jù)出現(xiàn)“1”和消失“1”的時刻,方便且精確地找出回波脈沖串“開始”和“結(jié)束”時的角度,兩者的中間值就是目標(biāo)的方向。通常,回波信號中總是混雜著噪聲和干擾,為減弱噪聲的影響,脈沖串在二進(jìn)制量化前先進(jìn)行積累,如圖7.6(b)中②的實(shí)線所示,積累后的輸出將產(chǎn)生一個固定遲延(可用補(bǔ)償解決),但可提高測角精度。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是34頁\一共有188頁\編輯于星期四最大信號法測角也可采用閉環(huán)的角度波門跟蹤進(jìn)行,如圖7.6(b)中的③、④所示,它的基本原理和距離門做距離跟蹤相同。圖7.6最大信號法測角(a)波束掃描;(b)波型圖

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是35頁\一共有188頁\編輯于星期四(7.2.6a)式中,E/N0為脈沖串能量和噪聲譜密度之比,

Kp為誤差響應(yīng)曲線的斜率(圖7.6(b)的⑤),

θB為天線波束寬度,Lp為波束形狀損失,(S/N)m是中心脈沖的信噪比;

n=t0fr,為單程半功率點(diǎn)波束寬度內(nèi)的脈沖數(shù)。在最佳積分處理?xiàng)l件下可得到

,則得b)用角波門技術(shù)作角度測量時的精度(受噪聲影響)為7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是36頁\一共有188頁\編輯于星期四

最大信號法測角的優(yōu)點(diǎn)一是簡單;二是用天線方向圖的最大值方向測角,此時回波最強(qiáng),故信噪比最大,對檢測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是有利的。其主要缺點(diǎn)是直接測量時測量精度不很高,約為波束半功率寬度(θ0.5)的20%左右。因?yàn)榉较驁D最大值附近比較平坦,最強(qiáng)點(diǎn)不易判別,測量方法改進(jìn)后可提高精度。另一缺點(diǎn)是不能判別目標(biāo)偏離波束軸線的方向,故不能用于自動測角。最大信號法測角廣泛應(yīng)用于搜索、引導(dǎo)雷達(dá)中。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是37頁\一共有188頁\編輯于星期四2.等信號法

等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束,其方向圖如圖7.7(a)所示。如果目標(biāo)處在兩波束的交疊軸OA方向,則由兩波束收到的信號強(qiáng)度相等,否則一個波束收到的信號強(qiáng)度高于另一個(如圖7.7(b)所示)。故常常稱OA為等信號軸。當(dāng)兩個波束收到的回波信號相等時,等信號軸所指方向即為目標(biāo)方向。如果目標(biāo)處在OB方向,波束2的回波比波束1的強(qiáng),處在OC方向時,波束2的回波較波束1的弱。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是38頁\一共有188頁\編輯于星期四等信號軸1、2波束收到回波相等2波束收到回波強(qiáng)1波束收到回波強(qiáng)圖7.7等信號法測角(a)波束;(b)K型顯式器畫面

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是39頁\一共有188頁\編輯于星期四

設(shè)天線電壓方向性函數(shù)為F(θ),等信號軸OA的指向?yàn)棣?,則波束1、2的方向性函數(shù)可分別寫成:

F1(θ)=F(θ1)=F(θ+θk-θ0)F2(θ)=F(θ2)=F(θ-θ0-θk)θk為θ0與波束最大值方向的偏角。

用等信號法測量時,波束1接收到的回波信號u1=KF1(θ)=KF(θk-θt),波束2收到的回波電壓值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt),式中θt為目標(biāo)方向偏離等信號軸θ0的角度。對u1和u2信號進(jìn)行處理,可以獲得目標(biāo)方向θt的信息。

因此，比較兩個波束回波的強(qiáng)弱就可以判斷目標(biāo)偏離等信號軸的方向并可用查表的辦法估計(jì)出偏離等信號軸的大小。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是40頁\一共有188頁\編輯于星期四(1)比幅法:

求兩信號幅度的比值

根據(jù)比值的大小可以判斷目標(biāo)偏離θ0的方向,查找預(yù)先制定的表格就可估計(jì)出目標(biāo)偏離θ0的數(shù)值。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是41頁\一共有188頁\編輯于星期四(2)和差法:由u1及u2可求得其Δ(θ)=u1(θ)-u2(θ)=K［F(θk-θt)-F(θk+θt)］在等信號軸θ=θ0

附近,差值Δ(θ)可近似表達(dá)為

差值Δ(θt)及和值Σ(θt),即圖7.8和差法測角7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是42頁\一共有188頁\編輯于星期四而和信號

Σ(θt)=u1(θ)+u2(θ)=K［F(θk-θt)+F(θk+θt)］在θ0附近可近似表示為：

Σ(θt)≈2F(θ0)k

即可求得其和、差波束Σ(θ)與Δ(θ),如圖7.8所示。歸一化的和差值(7.2.7)因?yàn)棣?Σ正比于目標(biāo)偏離θ0的角度θt,故可用它來判讀角度θt的大小及方向。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是43頁\一共有188頁\編輯于星期四等信號法中,兩個波束可以同時存在,若用兩套相同的接收系統(tǒng)同時工作,則稱同時波瓣法;兩波束也可以交替出現(xiàn),或只要其中一個波束,使它繞OA軸旋轉(zhuǎn),波束便按時間順序在1、2位置交替出現(xiàn),只要用一套接收系統(tǒng)工作,則稱順序波瓣法。

7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是44頁\一共有188頁\編輯于星期四

等信號法的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)測角精度比最大信號法高,因?yàn)榈刃盘栞S附近方向圖斜率較大,目標(biāo)略微偏離等信號軸時,兩信號強(qiáng)度變化較顯著。由理論分析可知,對收發(fā)共用天線的雷達(dá),精度約為波束半功率寬度的2%,比最大信號法高約一個量級。(2)根據(jù)兩個波束收到的信號的強(qiáng)弱可判別目標(biāo)偏離等信號軸的方向,便于自動測角。等信號法的主要缺點(diǎn)：一是測角系統(tǒng)較復(fù)雜;二是等信號軸方向不是方向圖的最大值方向,故在發(fā)射功率相同的條件下,作用距離比最大信號法小些。若兩波束交點(diǎn)選擇在最大值的0.7~0.8處,則對收發(fā)共用天線的雷達(dá),作用距離比最大信號法減小約20%~30%。等信號法常用來進(jìn)行自動測角,即應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)中。7.2測角方法及其比較

現(xiàn)在是45頁\一共有188頁\編輯于星期四7.3天線波束的掃描方法

7.3.1波束形狀和掃描方法1.扇形波束

扇形波束的水平面和垂直面內(nèi)的波束寬度有較大差別,主要掃描方式是圓周掃描和扇掃?，F(xiàn)在是46頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.9扇形波束圓周掃描(a)地面雷達(dá);(b)機(jī)載雷達(dá)

圓周掃描時,波束在水平面內(nèi)作360°圓周運(yùn)動(圖7.9),可觀察雷達(dá)周圍目標(biāo)并測定其距離和方位角坐標(biāo)。所用波束通常在水平面內(nèi)很窄,故方位角有較高的測角精度和分辨力。垂直面內(nèi)很寬,以保證同時監(jiān)視較大的仰角空域。地面搜索型雷達(dá)垂直面內(nèi)的波束形狀通常做成余割平方形,這樣功率利用比較合理,使同一高度不同距離目標(biāo)的回波強(qiáng)度基本相同。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是47頁\一共有188頁\編輯于星期四由雷達(dá)方程知，回波功率為式中，G為天線增益;R為斜距;K1為雷達(dá)方程中其它參數(shù)決定的常數(shù)。若目標(biāo)高度為H,仰角為β,忽略地面曲率,則R=H/sinβ=Hcscβ,代入上式得若目標(biāo)高度一定,要保持Pr不變,則要求G/csc2β=K(常數(shù)),故

即天線增益G(β)為余割平方形。

7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是48頁\一共有188頁\編輯于星期四

專門用于測高的雷達(dá),采用波束寬度在垂直面內(nèi)很窄而水平面內(nèi)很寬的扇形波束,故仰角有較高的測角精度和分辨力。雷達(dá)工作時,波束可在水平面內(nèi)作緩慢圓周運(yùn)動,同時在一定的仰角范圍內(nèi)做快速扇掃(點(diǎn)頭式)。

當(dāng)對某一區(qū)域需要特別仔細(xì)觀察時,波束可在所需方位角范圍內(nèi)往返運(yùn)動,即做扇形掃描。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是49頁\一共有188頁\編輯于星期四2.針狀波束

針狀波束的水平面和垂直面波束寬度都很窄。采用針狀波束可同時測量目標(biāo)的距離、方位和仰角,且方位和仰角兩者的分辨力和測角精度都較高。主要缺點(diǎn)是因波束窄,掃完一定空域所需的時間較長,即雷達(dá)的搜索能力較差。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是50頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.10針狀波束掃描方式(a)螺旋掃描;(b)分行掃描;(c)鋸齒掃描根據(jù)雷達(dá)的不同用途,針狀波束的掃描方式很多,圖7.10。圖(a)為螺旋掃描,在方位上圓周快掃描,同時仰角上緩慢上升,到頂點(diǎn)后迅速降到起點(diǎn)并重新開始掃描;圖(b)為分行掃描,方位上快掃,仰角上慢掃;圖(c)為鋸齒掃描,仰角上快掃而方位上緩慢移動。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是51頁\一共有188頁\編輯于星期四1.機(jī)械性掃描

利用整個天線系統(tǒng)或其某一部分的機(jī)械運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)波束掃描的稱為機(jī)械性掃描。如環(huán)視雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)，通常采用整個天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的方法。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是52頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.11饋源不動反射體動的機(jī)械性掃描

而圖7.11是饋源不動,反射體相對于饋源往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)波束扇掃的一個例子。不難看出,波束偏轉(zhuǎn)的角度為反射體旋轉(zhuǎn)角度的兩倍。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是53頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.12風(fēng)琴管式掃描器示意圖

圖7.12為,由一個輸入喇叭和一排等長波導(dǎo)組成,波導(dǎo)輸出口按直線排列,作為拋物面反射體的一排輻射源。當(dāng)輸入喇叭轉(zhuǎn)動依次激勵各波導(dǎo)時,這排波導(dǎo)的輸出口也依次以不同的角度照射反射體,形成波束掃描。這等效于反射體不動,饋源左右擺動實(shí)現(xiàn)波束扇掃。

7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是54頁\一共有188頁\編輯于星期四

機(jī)械性掃描的優(yōu)點(diǎn)是簡單。其主要缺點(diǎn)是機(jī)械運(yùn)動慣性大,掃描速度不高。近年來快速目標(biāo)、洲際導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等的出現(xiàn),要求雷達(dá)采用高增益極窄波束,因此天線口徑面往往做得非常龐大,再加上常要求波束掃描的速度很高,用機(jī)械辦法實(shí)現(xiàn)波束掃描無法滿足要求,必須采用電掃描。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是55頁\一共有188頁\編輯于星期四2.電掃描

電掃描時,天線反射體,饋源等不必作機(jī)械運(yùn)動。因無機(jī)械慣性限制,掃描速度可大大提高,波束控制迅速靈便,故這種方法特別適用于要求波束快速掃描及巨型天線的雷達(dá)中。電掃描的主要缺點(diǎn)是掃描過程中波束寬度將展寬,因而天線增益也要減小,所以掃描的角度范圍有一定限制。另外，天線系統(tǒng)一般比較復(fù)雜。根據(jù)實(shí)現(xiàn)時所用基本技術(shù)的差別,電掃描又可分為：相位掃描法、頻率掃描法、時間延遲法等。7.3天線波束的掃描方法

現(xiàn)在是56頁\一共有188頁\編輯于星期四7.3.3相位掃描法

1.基本原理

圖7.13所示為由N個陣元組成的一維直線移相器天線陣,陣元間距為d。為簡化分析,先假定每個陣元為無方向性的點(diǎn)輻射源,所有陣元的饋線輸入端為等幅同相饋電,各移相器的相移量分別為0,φ,2φ,…,(N-1)φ(如圖7.13所示),即相鄰陣元激勵電流之間的相位差為φ?，F(xiàn)在是57頁\一共有188頁\編輯于星期四

現(xiàn)在考慮偏離法線θ方向遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的場強(qiáng),它應(yīng)為各陣元在該點(diǎn)的輻射場的矢量和因等幅饋電,且忽略各陣元到該點(diǎn)距離上的微小差別對振幅的影響,可認(rèn)為各陣元在該點(diǎn)輻射場的振輻相等,用E表示。若以零號陣元輻射場E0的相位為基準(zhǔn),則(7.3.1)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是58頁\一共有188頁\編輯于星期四式中, ，為由于波程差引起的相鄰陣元輻射場的相位差;φ為相鄰陣元激勵電流相位差;kψ為由波程差引起的Ek對E0的相位超前;kφ為由激勵電流相位差引起的Ek對E0的相位遲后。

任一陣元輻射場與前一陣元輻射場之間的相位差為ψ-φ。按等比級數(shù)求和并運(yùn)用尤拉公式,式(7.3.1)化簡為7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是59頁\一共有188頁\編輯于星期四由式(7.3.1)容易看出,當(dāng)φ=ψ時,各分量同相相加,場強(qiáng)幅值最大,顯然故歸一化方向性函數(shù)為

(7.3.2)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是60頁\一共有188頁\編輯于星期四

φ=0時,

也就是各陣元等幅同相饋電時,由上式可知,當(dāng)θ=0,F(θ)=1,即方向圖最大值在陣列法線方向。若φ≠0,則方向圖最大值方向(波束指向)就要偏移,偏移角θ0由移相器的相移量φ決定,其關(guān)系式為:θ=θ0時,應(yīng)有F(θ0)=1,由式(7.3.2)可知應(yīng)滿足(7.3.3)式(7.3.3)表明,在θ0方向,各陣元的輻射場之間,由于波程差引起的相位差正好與移相器引入的相位差相抵消,導(dǎo)致各分量同相相加獲最大值。顯然,改變φ值,為滿足式(7.3.3),就可改變波束指向角θ0,從而形成波束掃描。

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是61頁\一共有188頁\編輯于星期四

也可以用圖7.14來解釋,可以看出,圖中MM′線上各點(diǎn)電磁波的相位是相同的,稱同相波前。方向圖最大值方向與同相波前垂直(該方向上各輻射分量同相相加),故控制移相器的相移量,

改變φ值,同相波前傾斜,從而改變波束指向,達(dá)到波束掃描的目的。

根據(jù)天線收發(fā)互易原理,

上述天線用作接收時,以上結(jié)論仍然成立。

圖7.14一維相掃天線簡圖

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是62頁\一共有188頁\編輯于星期四2.柵瓣問題

現(xiàn)在將φ與波束指向θ0之間的關(guān)系式φ=(2π/λ)dsinθ0代入式(7.3.2)，得

(7.3.4)可以看出,當(dāng)(πNd/λ)(sinθ-sinθ0)=0,±π,±2π,…,±nπ(n為整數(shù))時,分子為零,若分母不為零,則有F(θ)=0。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是63頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.15方向圖出現(xiàn)柵瓣

而當(dāng)(πd/λ)(sinθ-sinθ0)=0,±π,±2π,…,±nπ(n為整數(shù))時,上式分子、分母同為零,由洛比達(dá)法則得F(θ)=1,由此可知F(θ)為多瓣?duì)?如圖7.15所示。柵瓣主瓣柵瓣7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是64頁\一共有188頁\編輯于星期四其中，(πd/λ)×(sinθ-sinθ0)=0,即θ=θ0時的稱為主瓣,其余稱為柵瓣。出現(xiàn)柵瓣將會產(chǎn)生測角多值性。由圖7.15看出,為避免出現(xiàn)柵瓣,只要保證

即

則可,因｜sinθ-sinθ0｜≤1+｜sinθ0｜,故不出現(xiàn)柵瓣的條件可取為7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是65頁\一共有188頁\編輯于星期四當(dāng)波長λ取定以后,只要調(diào)整陣元間距d以滿足上式,便不會出現(xiàn)柵瓣。如要在-90°＜θ0＜+90°范圍內(nèi)掃描時,則d/λ＜1/2,但通過下面的討論可看出,當(dāng)θ0增大時,波束寬度也要增大,故波束掃描范圍不宜取得過大,一般取|θ0|≤60°或|θ0|≤45°,此時分別是d/λ＜0.53或d/λ＜0.59。為避免出現(xiàn)柵瓣，通常選d/λ≤1/2。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是66頁\一共有188頁\編輯于星期四3.波束寬度

1)波束指向?yàn)樘炀€陣面法線方向時的寬度這時,θ0=0,即φ=0,為各陣元等幅同相饋電情況。由式(7.3.2)或式(7.3.1)可得方向性函數(shù)為通常波束很窄,｜θ｜較小,sin［πd/λ)sinθ］≈(πd/λ)sinθ,上式變?yōu)?7.3.5)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是67頁\一共有188頁\編輯于星期四近似為辛克(Sinc)函數(shù),由此可求出波束半功率寬度為

(7.3.6)其中Nd為線陣長度。當(dāng)d=λ/2時

(7.3.7)

順便指出,在d=λ/2的條件下,若要求θ0.5=1°,則所需陣元數(shù)N=100。如果要求水平和垂直面內(nèi)的波束寬度都為1°,則需100×100個陣元。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是68頁\一共有188頁\編輯于星期四

2)波束掃描對波束寬度和天線增益的影響掃描時,波束偏離法線方向,θ0≠0,方向性函數(shù)由式(7.3.4)表示。波束較窄時,｜θ-θ0｜較小,sin［(πd/λ)(sinθ-sinθ0)］≈(πd/λ)(sinθ-sinθ0),式(7.3.4)可近似為7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是69頁\一共有188頁\編輯于星期四是辛克函數(shù)。設(shè)在波束半功率點(diǎn)上θ的(7.3.8)值為θ+和θ-(見圖7.16),由辛克函數(shù)曲線,當(dāng)時,可查出x=±0.443π,故知當(dāng)θ=θ+時應(yīng)有圖7.16掃描時的波束寬度

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是70頁\一共有188頁\編輯于星期四容易證明

sinθ+-sinθ0=sin(θ+-θ0)cosθ0-［1-cos(θ+-θ0)］sinθ0

波束很窄時,

θ+-θ0很小,上式第二項(xiàng)忽略,可簡化為

sinθ+-sinθ0≈(θ+-θ0)cosθ0

代入式(7.3.8),整理得掃描時的波束寬度θ0.5s為

(7.3.9)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是71頁\一共有188頁\編輯于星期四其中，θ0.5為波束在法線方向時的半功率寬度;λ為波長。上式也可從概念上定性地得出,因?yàn)椴ㄊ偸侵赶蛲囵侂婈嚵刑炀€的法線方向,將圖7.16中的同相波前MM′看成同相饋電的直線陣列,但有效長度為Ndcos(θ0),代入式(7.3.6)便得式(7.3.9)。

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是72頁\一共有188頁\編輯于星期四

從式(7.3.9)可看出,波束掃描時,隨著波束指向θ0的增大,θ0.5s要展寬,θ0越大,波束變得愈寬。例如θ0=60°,θ0.5s≈2θ0.5。

隨著θ0增大，波束展寬，會使天線增益下降。我們用陣元總數(shù)為N0的方天線陣來說明。假定天線口徑面積為A,無損耗,口徑場均勻分布(即口面利用系數(shù)等于1),陣元間距為d,則有效口徑面積A=N0d2,法線方向天線增益為(7.3.10)當(dāng)d=λ/2時,G(0)=N0π。

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是73頁\一共有188頁\編輯于星期四如果波束掃到θ0方向,則天線發(fā)射或接收能量的有效口徑面積As為面積A在掃描等相位面上的投影,即As=Acosθ0=Nod2cosθ0。如果將天線考慮為匹配接收天線,則掃描波束所收集的能量總和正比于天線口徑的投影面積As,所以波束指向處的天線增益為當(dāng)d=λ/2時,G(θ0)=N0πcosθ0=N0π?？梢娫鲆骐Sθ0增大而減小。

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是74頁\一共有188頁\編輯于星期四

如果在方位和仰角兩個方向同時掃描,以θ0α和θ0β表示波束在方位和仰角方向?qū)Ψň€的偏離,則當(dāng)θ0α=θ0β=60°時,

G(θ0α,θ0β)=N0π/4,只有法線方向增益的1/4。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是75頁\一共有188頁\編輯于星期四

總之,在波束掃描時,由于在θ0方向等效天線口徑面尺寸等于天線口徑面在等相面上的投影(即乘以cosθ0),

與法線方向相比,尺寸減小,波束加寬,因而天線增益下降,且隨著θ0的增大而加劇。所以波束掃描的角范圍通常限制在±60°或±45°之內(nèi)。若要覆蓋半球,至少要三個面天線陣。

必須指出,前面討論方向性函數(shù)時,都是假定每個陣元是無方向性的,當(dāng)考慮單個陣元的方向性時,總的方向性函數(shù)應(yīng)為上述結(jié)果與陣元方向性函數(shù)之積。設(shè)陣元方向性函數(shù)為Fe(θ),陣列方向性函數(shù)為F(θ)［式7.3.4］,則N陣元線性陣總的方向性函數(shù)FN(θ)為:

FN(θ)=Fe(θ)·F(θ)。當(dāng)陣元的方向性較差時,在波束掃描范圍不大的情況下,對總方向性函數(shù)的影響較小,故上述波束寬度和天線增益的公式仍可近似應(yīng)用。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是76頁\一共有188頁\編輯于星期四7.3.3相位掃描法

另外，等間距和等幅饋電的陣列天線副瓣較大(第一副瓣電平為-13dB),為了降低副瓣,可以采用“加權(quán)”的辦法。一種是振幅加權(quán),使得饋給中間陣元的功率大些,饋給周圍陣元的功率小些。另一種叫密度加權(quán),即天線陣中心處陣元的數(shù)目多些,周圍的陣元數(shù)少些?，F(xiàn)在是77頁\一共有188頁\編輯于星期四

4.相掃天線的帶寬

相掃天線的工作頻帶取決于饋源設(shè)計(jì)和天線陣的掃描角度。這里著重研究陣面帶寬。相掃天線掃描角θ0時,同相波前距天線相鄰陣元的距離不同而產(chǎn)生波程差dsinθ0(見圖7.12),如果用改變相鄰陣元間時間遲延值的辦法獲得傾斜波前,則雷達(dá)工作頻率改變時不會影響電掃描性能。但相掃天線陣中所需傾斜波前是靠波程差對應(yīng)的相位差ψ=(2π/λ)dsinθ獲得的,相位調(diào)整是以2π的模而變化的,它對應(yīng)于一個振蕩周期的值,而且隨著工作頻率改變，波束的指向也會發(fā)生變化,

這就限制了天線陣的帶寬。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是78頁\一共有188頁\編輯于星期四

當(dāng)工作頻率為f,波束指向?yàn)棣?時,位于離陣參考點(diǎn)第n個陣元的移相量ψ為如工作頻率變化δf,而移相量ψ不變,則波束指向?qū)⒆兓摩?δθ滿足以下關(guān)系式:

頻率增加時，δθ為負(fù)值,表明此時波束指向朝法線方向偏移。掃描角θ0增大,δθ亦增加。

用百分比帶寬Ba(%)=2(δf/f)×100表示式(7.3.11)時,(7.3.12)(7.3.11)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是79頁\一共有188頁\編輯于星期四波束掃描隨頻率變化所允許的增量和波束寬度有關(guān)。掃描時的波束寬度θB(s)=θB/cosθ0,θB為法線方向波束寬度。將式(7.3.12)變換為

(7.3.13)上式中帶寬因子k=Ba(%)/θB(°)。如果允許|δθ/θB(s)|≤1/4,則由式(7.3.13)可求得當(dāng)掃描角θ0增大時,允許的帶寬變小。如θ0=60°,則得此時k=1,即百分比帶寬Ba(%)=θB(°)7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是80頁\一共有188頁\編輯于星期四

上面分析了單頻工作時(相當(dāng)于連續(xù)波)指向與頻率變化的關(guān)系。然而大多數(shù)雷達(dá)工作于脈沖狀態(tài),其輻射信號占有一個頻帶,當(dāng)天線掃描偏離法線方向時,頻譜中的每一分量分別掃向一個有微小偏差的方向,已經(jīng)有人分析研究了此時各頻率分量在遠(yuǎn)場區(qū)的合成情況。很明顯，在脈沖工作時，天線增益將低于單頻工作時的最大增益,如果允許輻射到目標(biāo)上的能量可以減少0.8dB,則當(dāng)波束掃描角θ0=60°時可得到

Ba(%)=2θB

(個脈沖)

天線陣面孔徑增大時,波束θB減小,則允許的帶寬Ba(%)也相應(yīng)減小。

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是81頁\一共有188頁\編輯于星期四

相掃天線的帶寬也可從時域上用孔徑充填時間或等效脈沖寬度來表示。當(dāng)天線掃描角為θ0時,由于存在波程差,將能量充填整個孔徑面所需時間為D為天線孔徑尺寸,c為光速。能有效通過天線系統(tǒng)的脈沖度τ應(yīng)滿足τ≥T

其對應(yīng)的頻帶為B=1/τ。將孔徑尺寸D與波束寬度θB的關(guān)系引入,且知道百分比帶寬Ba(%)為:

B/f×100=Ba(%),則可得到,當(dāng)取最小可用脈寬即τ=T時,7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是82頁\一共有188頁\編輯于星期四掃描角θ0越大,

Ba(%)越小。當(dāng)

90°掃描時可得

Ba(%)=2θB(°)當(dāng)脈寬等于孔徑充填時間時,將產(chǎn)生0.8dB的損失,脈寬增加則損失減少。

為了在空間獲得一個不隨頻率變化的穩(wěn)定掃描波束,就需要用遲延線而不是移相器來實(shí)現(xiàn)波束掃描,在每一陣元上均用時間遲延網(wǎng)絡(luò)是不實(shí)用的,因?yàn)樗芎馁M(fèi)且損耗及誤差較大。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是83頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.17用子陣和時間遲延的相掃陣列

一種明顯改善帶寬的辦法是用子陣技術(shù)(如圖7.17所示)，即數(shù)個陣元組合為子陣而在子陣之間加入時間遲延單元,天線可視為由子陣組成的陣面；7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是84頁\一共有188頁\編輯于星期四子陣的方向圖形成“陣元”因子,它們用移相器控制掃描到指定方向,每個子陣均工作于同一模式,當(dāng)頻率改變時其波束將有偏移,子陣間的掃描是調(diào)節(jié)與頻率無關(guān)的遲延元件。7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是85頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.18頻率變化時子陣相控陣的方向圖

7.3.3相位掃描法

現(xiàn)在是86頁\一共有188頁\編輯于星期四

如圖7.28所示,如果相鄰陣元間的傳輸線長度為l,傳輸線內(nèi)波長為λg,則相鄰陣元間存在一激勵相位差

(7.3.17)改變輸入信號頻率f,則λg改變,Φ也隨之改變,故可實(shí)現(xiàn)波束掃描。這種方法稱為頻率掃描法。圖7.28頻掃直線陣列7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是87頁\一共有188頁\編輯于星期四

通常l應(yīng)取得足夠長,這對提高波束指向的頻率靈敏度有好處(下面說明),所以Φ值一般大于2π,式(7.3.17)可改寫成

(7.3.18)式中，m為整數(shù)；｜φ｜＜2π。當(dāng)θ0=0,即波束指向法線方向時,設(shè)λg=λg0(相應(yīng)的輸入信號頻率為f0),此時所有陣元同相饋電,上式中，φ=0,由此可以確定

(7.3.19)這里用具有一定長度的傳輸線代替了相掃法串聯(lián)饋電中插入主饋線內(nèi)的移相器,因此插入損耗小,傳輸功率大,同時只要改變輸入信號的頻率就可以實(shí)現(xiàn)波束掃描,方法比較簡便。7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是88頁\一共有188頁\編輯于星期四

若θ0≠0,即波束偏離法線方向,則當(dāng)θ=θ0時,相鄰陣元之間由波程差引起的相位差正好與傳輸線引入的相位差相抵消,故有

得

(7.3.20)式中，d為相鄰陣元間距；λ為自由空間波長(相應(yīng)輸入端信號頻率為f)。已知λ(或f),并算出λg,由式(7.3.20)可確定波束指向角θ0。λg根據(jù)傳輸線的特性及工作波長而定。7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是89頁\一共有188頁\編輯于星期四

圖7.29給出了陣元間距d=λ0/2時波束指向角θ0與頻率的關(guān)系曲線。λ0為波束指向法線方向時的自由空間波長,稱為法線波束波長,相應(yīng)的信號頻率為f0。圖中橫坐標(biāo)為相對頻移Δf/f0,Δf=f-f0,f為波束指向θ0方向時的信號頻率。虛線所示為f＜f0時的關(guān)系曲線。

圖7.29指向角θ0與相對頻移Δf/f0關(guān)系曲線(a)矩形波導(dǎo)(b)同軸線7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是90頁\一共有188頁\編輯于星期四波束指向角θ0對頻率f的變化率叫波束指向的頻率靈敏度。由圖看出,m愈大,即l愈長(λg0一定),頻率靈敏度就愈高,也就是用較小的頻偏量Δf,可以獲得較大的波束掃描范圍。另外，可以看到f＜f0時的頻率靈敏度高于f＞f0,故在m和｜Δf｜相同的情況下,波束掃描范圍相對法線方向是不對稱的,一邊范圍大,而另一邊范圍小。

7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是91頁\一共有188頁\編輯于星期四

在頻掃雷達(dá)中,所用脈沖寬度不能太窄,因?yàn)樾盘枏膱D7.28所示的蛇形傳輸線的始端傳輸?shù)侥┒诵枰欢〞r間,只有當(dāng)脈沖寬度大于該傳輸時間時,才能保證所有陣元同時輻射。如果脈沖太窄,勢必有一部分陣元因信號還未傳輸?shù)交蛞淹ㄟ^而不能同時輻射能量,引起波束形狀失真。由于頻掃雷達(dá)中波束指向角θ0與信號源頻率一一對應(yīng),也就是依據(jù)頻率來確定目標(biāo)的角坐標(biāo),因而雷達(dá)信號源的頻率應(yīng)具有很高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度,以保證滿足測角精度的要求。溫度變化導(dǎo)致波導(dǎo)熱脹冷縮,使l、d、α發(fā)生變化,從而改變波束指向,引起測角誤差。為了消除溫度誤差,可把頻掃天線置于一恒溫的天線罩內(nèi)或采用線膨脹系數(shù)小的金屬材料,或采用其它溫度補(bǔ)償方法。7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是92頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.30頻掃天線直線陣(a)串聯(lián)頻掃陣列;(b)并聯(lián)頻掃陣列

圖7.31簡單頻掃天線(a)寬壁耦合到偶極子輻射器;(b)窄壁與縫隙天線耦合

7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是93頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.32采用圓柱形反射器的頻掃天線

圖7.33平面陣列天線

7.3.4頻率掃描現(xiàn)在是94頁\一共有188頁\編輯于星期四1.概述相位控制陣列：多個天線單元排成，各陣元饋電相位按一定程序靈活控制，完成特定的空間掃描優(yōu)點(diǎn)：相掃，無機(jī)械慣性，快速波束捷變多目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)率、高可靠性多功能、多波束、自適應(yīng)抗干擾缺點(diǎn)：波束寬度隨掃描方向變化7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是95頁\一共有188頁\編輯于星期四移相器控制波束的發(fā)射與接收無源陣：收發(fā)共用一個或幾個發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有源陣：每個陣元都連有可提供所需輻射功率的收發(fā)（Ｔ/Ｒ）固態(tài)組件，即都是有源的固態(tài)組件的功率源是低功率的各陣元輻射功率在空間進(jìn)行合成各陣元輻射信號間相位關(guān)系固定，即相參各陣元的相位和振幅分布可按要求控制7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是96頁\一共有188頁\編輯于星期四有源陣的優(yōu)點(diǎn):功率源直接聯(lián)在陣元后面，饋源和移相器的損耗不影響雷達(dá)性能；接收機(jī)噪聲系數(shù)由T/R組件中的低噪聲放大器決定陣元饋源和移相器功率容量低，輕便廉價大量低功率固態(tài)源取代易損壞的高電壓、大功率發(fā)射機(jī)，系統(tǒng)可靠性提高固態(tài)陣和數(shù)字波束形成及陣列信號處理技術(shù)相結(jié)合，天線性能改善潛力大7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是97頁\一共有188頁\編輯于星期四移相器移相器：實(shí)現(xiàn)相掃的關(guān)鍵器件對移相器的要求：移相精確、性能穩(wěn)定、頻帶和功率容量大、便于快速控制、激勵功率和插入損耗小、體積小、重量輕等移相器的種類：PIN二極管移相器、鐵氧體移相器、數(shù)字式移相器等7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是98頁\一共有188頁\編輯于星期四

饋源：也稱為集波器、饋波器。通常指饋源盤，饋源系統(tǒng)是饋源盤、極化器和過渡波導(dǎo)的總稱，有時也簡稱為饋源。饋源盤又稱為饋源揚(yáng)聲器，天線常用饋源盤形式有角錐揚(yáng)聲器、圓錐揚(yáng)聲器、開口波導(dǎo)和紋波揚(yáng)聲器等。過渡波導(dǎo)的作用是固定極化方向，以便于高頻頭連接。

相控陣?yán)走_(dá)的饋電方式主要分為：空間饋電和強(qiáng)制饋電兩種。2.相控陣?yán)走_(dá)的饋電和饋相方式7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是99頁\一共有188頁\編輯于星期四

1)空間饋電方式主要分為：反射鏡式和透鏡式,如圖7.19所示。

圖7.19光學(xué)饋電系統(tǒng)(a)透鏡系統(tǒng);(b)反射鏡系統(tǒng)

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是100頁\一共有188頁\編輯于星期四

由饋源送出的電波照射到反射面或透鏡孔面時,由各輻射元接收,經(jīng)反射或透射,再由各輻射元輻射出去,只要孔面上輻射元足夠多,就可在空間形成窄波束。以適當(dāng)?shù)囊?guī)律改變反射鏡中或透鏡中各移相器的相對相移量,就可實(shí)現(xiàn)波束掃描。其中反射鏡式只有一個陣列面,各輻射元先接收電波,經(jīng)移相器移相后,傳輸?shù)侥┒?短路端)全反射,再移相后,由同一輻射元輻射出去。

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是101頁\一共有188頁\編輯于星期四

由于饋源輻射的為球面波,使平面的透鏡或反射鏡陣列面的激勵相位因存在路徑差(球面徑差)而引起附加差異,造成掃描角誤差。這可以在結(jié)構(gòu)上或計(jì)算機(jī)配相時加以修正。例如使旁邊移相器的相移量小于中間移相器的相移量,以抵消球面徑差引起的附加相位遲后。利用空間饋電時,雷達(dá)本身結(jié)構(gòu)大體保持不變。例如，從收發(fā)設(shè)備到天線饋源可不必改動，只要做一個移相器天線陣列面即可,因此做起來比較簡單。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是102頁\一共有188頁\編輯于星期四

2)

強(qiáng)制饋電系統(tǒng)又稱為傳輸線饋電,這是因?yàn)樵谶@種饋電系統(tǒng)中，功率源到陣列元之間采用了一定數(shù)量的微波耦合元件和傳輸線。它可分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是103頁\一共有188頁\編輯于星期四(1)串聯(lián)饋電(如圖7.20所示)。高頻信號以行波方式沿主饋線傳輸,經(jīng)定向耦合器依次給陣元饋電,調(diào)節(jié)耦合度,就可調(diào)節(jié)加到各陣元的功率的大小,實(shí)現(xiàn)振幅加權(quán)，降低副瓣。移相器可以放在各分支內(nèi)或串在主饋線內(nèi),

后者在波束控制時各移相器的相移量相同,但要求移相器能承受大功率,且插入損耗小。

圖7.20串聯(lián)饋電示意圖(a)端饋電;(b)中心饋電

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是104頁\一共有188頁\編輯于星期四(2)并聯(lián)饋電(如圖7.21所示)。它把整個陣列分成許多子陣列,每個子陣列傳輸通道長度相同,發(fā)射功率以多級均分的方式饋給每個陣元,因而每個移相器承受功率都不大。適當(dāng)組合子陣列,并調(diào)整它們的相位和電流振幅,可得到良好的方向圖和掃描特性。圖7.21并聯(lián)饋電示意圖

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是105頁\一共有188頁\編輯于星期四3.移相器

移相器是實(shí)現(xiàn)相掃的關(guān)鍵器件。對它的要求是：移相的數(shù)值精確，性能穩(wěn)定，頻帶和功率容量足夠，便于快速控制，激勵功率和插入損耗小，體積小，重量輕等。

1)PIN二極管移相器這種移相器以PIN二極管為控制元件,它利用了PIN管在正偏和反偏時的兩種不同狀態(tài),外接調(diào)諧元件LT和CT,構(gòu)成理想的射頻開關(guān),如圖7.37為其一例。正偏壓時,

CT與引線電感Ls發(fā)生串聯(lián)諧振,使射頻短路;反偏時,

Ci和CT一起與LT發(fā)生并聯(lián)諧振而呈現(xiàn)很大的阻抗。這時可把PIN管看作一個單刀單擲開關(guān)。用兩只互補(bǔ)偏置的PIN管可構(gòu)成單刀雙擲射頻開關(guān)。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是106頁\一共有188頁\編輯于星期四利用PIN管在正偏和反偏狀態(tài)具有不同的阻抗或其開關(guān)特性，可構(gòu)成多種形式的移相器。圖7.37PIN二極管開關(guān)電路7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是107頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.38開關(guān)線型移相器(a)換接線型;(b)環(huán)行器型

圖7.38兩種開關(guān)線型移相器,其中環(huán)行器用來提供匹配的輸入和輸出。開關(guān)在不同位置時,有一個傳輸路徑差Δl,從而得到一個差相移Δφ=2πΔl/λg。這種移相器較簡單,但帶寬較窄。也可以利用PIN管正反向偏置時不同的阻抗值做成加載線移相器,或?qū)IN管與定向耦合器結(jié)合構(gòu)成移相器,它們都有較大的工作帶寬。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是108頁\一共有188頁\編輯于星期四

PIN管移相器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕,便于安裝在集成固體微波電路中,開關(guān)時間短(50ns~2μs),性能幾乎不受溫度的影響,激勵功率小(1.0~2.5W),目前能承受峰值功率約為10kW,平均功率約200W,所以是有前途的器件。缺點(diǎn)是頻帶較窄和插入損耗大。2)鐵氧體移相器

其基本原理是利用外加直流磁場改變波導(dǎo)內(nèi)鐵氧體的導(dǎo)磁系數(shù),因而改變電磁波的相速,得到不同的相移量。

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是109頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.25所示為常用的一種鐵氧體移相器,在矩形波導(dǎo)寬邊中央有一條截面為環(huán)形的鐵氧體環(huán),環(huán)中央穿有一根磁化導(dǎo)線。根據(jù)鐵氧體的磁滯特性(見圖7.25(a)),當(dāng)磁化導(dǎo)線中通過足夠大的脈沖電流時,所產(chǎn)生的外加磁場也足夠強(qiáng)(它與磁化電流強(qiáng)度成正比),鐵氧體磁化達(dá)到飽和,脈沖結(jié)束后,鐵氧體內(nèi)便會有一個剩磁感應(yīng)(其強(qiáng)度為Br)。當(dāng)所加脈沖極性改變時,剩磁感應(yīng)的方向也相應(yīng)改變(其強(qiáng)度為-Br)。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是110頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.25鐵氧體移相器(a)鐵氧體磁滯回線;(b)相移器結(jié)構(gòu)

這兩個方向不同的剩磁感應(yīng)對波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)腡E10波來說，對應(yīng)兩個不同的導(dǎo)磁系數(shù),也就是兩種不同極性的脈沖在該段鐵氧體內(nèi)對應(yīng)有兩個不同的相移量,這對二進(jìn)制數(shù)控很有利。鐵氧體產(chǎn)生的總的相移量為這兩個相移量之差(稱差相移)。只要鐵氧體環(huán)在每次磁化時都達(dá)到飽和,其剩磁感應(yīng)大小就保持不變,這樣，差相移的值便取決于鐵氧體環(huán)的長度。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是111頁\一共有188頁\編輯于星期四

鐵氧體移相器的特點(diǎn)是:鐵氧體環(huán)的兩個不同數(shù)值的導(dǎo)磁系數(shù)分別由兩個方向相反的剩磁感應(yīng)來維持,磁化導(dǎo)線中不必加維持電流,因此所需激勵功率比其它鐵氧體移相器小。鐵氧體移相器的主要優(yōu)點(diǎn)是：承受功率較高，插入損耗較小，帶寬較寬。其缺點(diǎn)是：所需激勵功率比PIN管移相器大，開關(guān)時間比PIN管移相器長，較笨重。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是112頁\一共有188頁\編輯于星期四3)數(shù)字式移相器為了便于波束控制,通常采用數(shù)字式移相器。如果要構(gòu)成n位數(shù)字移相器,可用n個相移數(shù)值不同的移相器(PIN管的或鐵氧體的)作為子移相器串聯(lián)而成。每個子移相器應(yīng)有相移和不相移兩個狀態(tài),且前一個的相移量應(yīng)為后一個的兩倍。處在最小位的子相移器的相移量為Δφ=360°/2n,故n位數(shù)字移相器可得到2n個不同相移值。

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是113頁\一共有188頁\編輯于星期四

例如四位數(shù)字移相器,最小位的相移量為Δφ=360°/24=22.5°,故可由相移值分別為22.5°,45°,90°,180°的四個子相移器串聯(lián)而成,如圖7.26所示，每個子移相器受二進(jìn)制數(shù)字信號中的一位控制,其中“0”對應(yīng)該子移相器不移相,“1”對應(yīng)移相。例如，控制信號為1010,則四位數(shù)字移相器產(chǎn)生的相移量為φ=1×180°+0×90°+1×45°+0×22.5°=225°四位數(shù)字移相器可從0°到337.5°，每隔22.5°取一個值,可取24=16個值。圖7.26

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是114頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.41鐵氧體數(shù)字移相器示意圖圖7.41為四位鐵氧體數(shù)字移相器的原理圖。

7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是115頁\一共有188頁\編輯于星期四

數(shù)字移相器的移相量不是連續(xù)可變的,其結(jié)果將引起天線陣面激勵的量化誤差,從而使天線增益降低,均方副瓣電平增加,并產(chǎn)生寄生副瓣,同時還使天線主瓣的指向發(fā)生偏移。設(shè)數(shù)字移相器為B位,則量化相位誤差δ在±π/2B范圍內(nèi)均勻分布,誤差方差值為δ2=π2/3(22B),由此引起天線增益下降為

(7.3.14)B=2時,增益損失1dB;B=4時,增益損失0.06dB,故選擇B=3~4時,天線增益的損失均可容忍。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是116頁\一共有188頁\編輯于星期四由相移量化誤差引起的均方副瓣電平增加可表示為

(7.3.15)此處N為天線陣的陣元數(shù);B=3時,副瓣較主瓣低47dB;B=4時,則副瓣低于主瓣53dB,對一般應(yīng)用是可以接受的。但由于實(shí)際的相移量化誤差分布不是隨機(jī)的而具有周期性,因而會產(chǎn)生寄生的量化副瓣。在周期性三角形分布條件下，其峰值為1/22B,此值較大而需設(shè)法降低,一種辦法就是破壞其周期性規(guī)律。相移量化所產(chǎn)生的最大指向誤差Δθ為

(7.3.16)式中，θB為波束寬度。例如B=4時,Δθ/θB=0.049為可能產(chǎn)生的最大指向誤差。7.4相控陣?yán)走_(dá)現(xiàn)在是117頁\一共有188頁\編輯于星期四7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

7.6.1引言

雷達(dá)工作時常需要測量目標(biāo)在空間的三個坐標(biāo)值:

距離、方位角、仰角。通常的監(jiān)視雷達(dá)只能測量距離和方位角這兩個坐標(biāo)。通常用一部“點(diǎn)頭”式測高雷達(dá)配合二坐標(biāo)的空中監(jiān)視雷達(dá)協(xié)同工作,監(jiān)視雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測得其距離和方位角,同時將目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)送給測高雷達(dá),該雷達(dá)具有窄的仰角波束,并在仰角方向“點(diǎn)頭”掃描,可以較準(zhǔn)確地測定目標(biāo)的仰角和高度?，F(xiàn)在是118頁\一共有188頁\編輯于星期四

這些測量方法的主要缺點(diǎn)是測量過程較復(fù)雜、緩慢,可以同時容納的目標(biāo)數(shù)目較少,有時測量精度較差,因而不能適應(yīng)空中目標(biāo)高速度高密度出現(xiàn)時對雷達(dá)測量的要求。無論是軍用或民用的搜索、導(dǎo)航或空中交通管制雷達(dá),在飛機(jī)飛行速度和機(jī)動能力日益提高的條件下,都要求它們加大探測空域,快速、精確地測出多批次目標(biāo)的三個坐標(biāo)值。20世紀(jì)50年代后期開始,為適應(yīng)這種需要,逐步出現(xiàn)了各類三坐標(biāo)雷達(dá),它能同時迅速地、精確地測量雷達(dá)探測空域內(nèi)大量目標(biāo)的三個坐標(biāo)值。7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是119頁\一共有188頁\編輯于星期四

對三坐標(biāo)雷達(dá)的主要要求是能快速提供大空域、多批量目標(biāo)的三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù),同時要有較高的測量精度和分辨力。通常用數(shù)據(jù)率作為衡量三坐標(biāo)雷達(dá)獲得信息速度的一個重要指標(biāo)；數(shù)據(jù)率這個指標(biāo)也反映了雷達(dá)各主要參數(shù)之間的關(guān)系。在三坐標(biāo)雷達(dá)中,為了提高測量方位角和仰角的精度和分辨力,通常都采用針狀波束。7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是120頁\一共有188頁\編輯于星期四

數(shù)據(jù)率定義為單位時間內(nèi)雷達(dá)對指定探測空域內(nèi)任一目標(biāo)所能提供數(shù)據(jù)的次數(shù)?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)率D也等于雷達(dá)對指定空域探測一次所需時間(稱掃描周期Ts)的倒數(shù),因波束每掃描一次,則對待測空域內(nèi)的每一目標(biāo)能夠提供一次測量數(shù)據(jù)。若雷達(dá)待測空域立體角為V,波束寬度立體角為θ,雷達(dá)重復(fù)周期為Tr,重復(fù)頻率為fr,雷達(dá)檢測時所必需的回波脈沖數(shù)為N,為此，必須保證波束對任一目標(biāo)照射時間不小于NTr(即波束在某一位置停留的時間不應(yīng)短于NTr),則雷達(dá)波束的掃描周期為(7.4.1)7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

7.6.2三坐標(biāo)雷達(dá)的數(shù)據(jù)率現(xiàn)在是121頁\一共有188頁\編輯于星期四設(shè)雷達(dá)作用距離為Rmax,則目標(biāo)回波的最大延遲時間為

c為光速。若取Tr=1.2tr

max,則波束掃描周期Ts的倒數(shù)為雷達(dá)的數(shù)據(jù)率D,故

(7.4.2)

波束立體角θ和待測空域立體角V可按以下方法計(jì)算:球面上的某一塊面積除以半徑的平方定義為這塊面積相對球心所張的立體角。7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是122頁\一共有188頁\編輯于星期四假定雷達(dá)波束在兩個平面內(nèi)的寬度相同,設(shè)θa=θβ=θb,則波束在以距離R為半徑的球面上切出一個圓［見圖7.55(a)］,我們把該圓的內(nèi)接正方形作為波束掃描中的一個基本單元,以保證波束掃描時能覆蓋整個空域［見圖7.34(b)］。由圖可知,正方形的面積為,故波束立體角（波束范圍）為 。圖7.34波束立體角計(jì)算7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是123頁\一共有188頁\編輯于星期四

同理,若波束寬度θα與θβ不相等,則波束立體角為θ=θαθβ/2。若待測空域的方位范圍為α1~α2,仰角范圍為β1~β2,則由圖7.56可求出待測空域立體角為其中S為待測空域所截的以R為半徑的球面面積。

7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是124頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.56待測空域立體角計(jì)算7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是125頁\一共有188頁\編輯于星期四1.單波束三坐標(biāo)雷達(dá)

為了同時測定仰角和方位角,雷達(dá)天線的針狀波束必須在方位角和俯仰角兩個平面進(jìn)行掃描。實(shí)現(xiàn)兩個平面上的掃描可以采用機(jī)械掃描和電掃描相結(jié)合,也可以在兩維上均用電掃描。通常的三坐標(biāo)雷達(dá)采用在方位角上機(jī)械掃描以測定目標(biāo)的距離和方位角,在方位上機(jī)械慢掃的同時在仰角方向波束用電掃描進(jìn)行快速掃描以測定仰角。7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是126頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.57機(jī)械掃描與頻率掃描混合系統(tǒng)

如圖7.57所示，仰角快掃用頻率掃描實(shí)現(xiàn)。頻掃是較早期三坐標(biāo)雷達(dá)采用的一種快掃方式,仰角頻掃系統(tǒng)是順序波瓣法的一種形式,可以將相鄰波瓣的輸出振幅用比幅法測角。由于不同波束位置對應(yīng)的頻率各異,這種方法的測角精度較差。7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是127頁\一共有188頁\編輯于星期四

針狀波束在仰角的快掃可以采用相位掃描的辦法,也就是對陣天線每行陣元饋電輸出端的移相器進(jìn)行電控。這種電掃方法是最靈活且目前用的最多的一種相位掃描方法,它可以靈活地形成和、差波束,采用順序掃描或隨機(jī)掃描;波形設(shè)計(jì)和波束指向可以完全獨(dú)立。

波束掃描也可以采用雙平面均為電子掃描的系統(tǒng),如圖7.58所畫的示意圖。早期采用一維相掃一維頻掃,而目前用得更多的則是相位-相位電掃系統(tǒng),就是相控陣?yán)走_(dá)。由于它具有靈活、快速的波束掃描能力,因而可以實(shí)現(xiàn)快速改變波束指向和波束的駐留時間,亦即根據(jù)需要靈活控制波束在任一指向的數(shù)據(jù)率。再加上計(jì)算機(jī)控制、波形產(chǎn)生、信號和數(shù)據(jù)處理的功能,使相控陣?yán)走_(dá)有以下一些具體優(yōu)點(diǎn):

7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是128頁\一共有188頁\編輯于星期四圖7.58雙平面電子掃描系統(tǒng)示意圖(a)相位-頻率電掃描系統(tǒng);(b)相位-相位電掃描系統(tǒng)

7.6三坐標(biāo)雷達(dá)

現(xiàn)在是129頁\一共有188頁\編輯于星期四

(1)搜索時的功率和能量可以在計(jì)算機(jī)控制下變化而獲得最佳分配,這可以用改變不同波束指向時的駐留時間以及發(fā)射波形來獲得,同時這兩個參數(shù)的選擇還影響消除雜波的能力。(2)搜索和跟蹤的功能可以獨(dú)立地進(jìn)行