相控阵天线的基础理论

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1、第二章相控阵天线的基础理论和控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠和位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列（ESA）天线。虽然用于和控阵雷达的和控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设罝有移和器，用来改变单元之间信号的扣位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/和加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作

2、，使得雷达具有很强的自适应能力。在和控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述和控阵天线扫描的基本原理。2.1相控阵天线扫描的基本原理2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。阁2.1是一个由7V个天线单元组成

3、的线性阵列原理阁，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为每一个天线单元的激励电流为/z（i=0，l，2，...N-l）。每一单元福射的电场强度与其激励电流＜成正比。天线单元的方向阁函数用乂.（久釣表示。阵中第/个天线单元在远区产生的电场强度为：(久灼(2.1)ri式中，仏为第f个天线单元辐射场强的比例常数，/;为第/个天线单元至观察点的距离，/.(久釣为第/个天线单元的方向图函数，为第/个天线单元的激励电流，可以表示成为：I.=a.e'^(2.2)式屮，67,.为幅度加权系数，△么为等间距线阵屮，相邻单元

4、之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强£可以认为是线阵屮7V个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：•2兀AMAM,’T巧E=XE:=X(23)Z=0/=0ri若各单元比例常数K=l,各天线单元方向图(久釣相同，则总场强表示为：AM/=0(2.4)假设观察点P距离天线阵足够远，则可认为各天线单元到该点的射线互相平行。根据远场近似：(2.5)对幅度：n对相位：巧==r0-idcosay因为cos6Zv=cos^sin^(2.6)将(2.5)、(2.6)式带

5、入(2.4)式，总场强可进一步简化为：N-E=m(p)X/=0a：eyi(^dcos^sin(p-^6R)A(2.7)定义式(2.7)中F(久灼=为阵列因子，则该式说明了天线/=0方向图的一个重要定理一一乘法定理。即阵列天线方向图函数£(久灼等于天线单元方向图函数/(/?，的与阵列因子F(6^)=的乘积。/=0为了便于讨论和易于理解线性相控阵天线扫描原理，通常将阁2.1简化为阁2.2所示情况。假定天线单元方向图/(久勿足够宽，满足全向性，在线阵天线波束扫描范围内，可忽略其影响时，线阵天线方向图函数可表示为:N_=2/=0aeji(亨

6、dsin汐-A^e)(2.8)式中，％为幅度加权系数，A么为和邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内和移值,J1△么=¥^/sin氏，么为天线波束最大指向。A为相邻单元之间的空间相位差。若令卻-△么,对均匀分布照射函数，什=1，可得：F(0)=^^，由欧拉公式化简得到：l-ejX.NvsinyxA=j—e1(2.9)sin-X2对式(2.9)取绝对值，考虑到实际线阵中单元数目TV较大，在天线波束指向最大值附近X较小。根据等价无穷小替换，sin---,故得到线阵的幅度方向阁22函数为：NNjr(2.10)sin—Xsin—-J(sin^-sin

7、么)IF⑹一=—X子d(sin沒-sin么)可见，线性相控阵天线方向图函数

8、F(的

9、是以辛格函数表示的。由此，可以翻线阵天线的基本性能。当*X補，丨馴有最大值，附丨。此吋波束指向么的表达式为.•dB-arcsin(Al7td(2.11)由式(2.11)可知，通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值A么，即可改变天线波束最大值指向。而A么是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的。2.1.2平面相控阵天线扫描的基本原理平面和控阵天线是指天线单元分布在平面上，天线波束在方位与仰角两个方向上均可以进行和控扫描的阵列天线。目前，大多数远程、超远程和控

10、阵雷达以及新的三坐标和控阵雷达均采用平面和控阵天线。一个平面相控阵天线可以分解为多个子平面和控阵天线或者分解成多个线阵。和应的，由发射机至各天线单元的信号功率分配网络与由天线单元到接收机之间的功率和加网络也