机载雷达的物理基础--方向性与天线波束

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1、机载雷达的物理基础--方向性与天线波束知识回顾Ø两种常用的基本波束•扇形波束（如图）•笔形（针状）波束知识回顾u扇形波束Ø特点：水平面和垂直面内的波束宽度差别加大，主要扫描方式为圆周扫描和扇扫。•圆周扫描：波束通常在水平面内很窄，所以方位角有较高的精度和分辨力；垂直面内很宽，保证同时监视较大的仰角空间。•扇扫：需要对某一区域特别仔细观察时，需要波束在垂直面内很窄而水平面内很宽的范围内往复运动，即扇形扫描。知识回顾Ø圆周扫描•波束在水平面内作360°圆周运动（如图为圆周扫描），可观察雷达周围目标并测定距离和方位的仰角坐标。•地面搜索

2、雷达为有效的利用雷达发射功率，垂直面内通常采用余弦切割平方形，使同一高度不同距离目标的回波强度基本相同。知识回顾Ø扇形扫描•测高雷达采用波束宽度在垂直没面内很窄而水平面内很宽的扇形波束，所以仰角有较高的精度和分辨力。雷达工作时，波束可在水平面内作缓慢圆周运动，同时在一定的仰角范围内作快速扇扫（点头式）知识回顾Ø笔形（针状）波束•特点：垂直面内和水平面内宽度都很窄；但因波束窄，扫完一定空域所需的时间较长，即雷达搜索能力差。•作用：可同时测量目标的距离、方位和仰角，且方位角和仰角的分辨力、精度都较高。Ø笔形（针状）波束扫描方式•螺旋扫

3、描•分行扫描•锯齿扫描知识回顾•螺旋扫描：在方位上作圆周运动，同时仰角缓慢上升，到顶点后迅速降到七点并重新开始扫描•分行扫描：方位上快扫，仰角上慢扫•锯齿扫描：仰角上快扫，方位上缓慢移动机械性扫描雷达•大多数机载雷达的天线波束通过机械将天线移动到所需要的方位和仰角来定位，如图。•如环视雷达、跟踪雷达：通常采用整个天线系统的转动。机械性扫描雷达Ø方式•右图为馈源不动，反射体动的机械扫描方式：反射体相对于馈源反复运动实现波束扇扫，波束偏转的角度为反射体旋转角度的两倍。机械性扫描雷达•右图为风琴管式馈源，由一个输入喇叭和两排等长波导组成

4、，波导输出按直线排列，作为抛物面反射体的一排辐射源。当输入喇叭转动依次激励各波导时，这排波导的输出也依次以不同的角度照射反射体，形成波束扫描，相当于反射体不动，馈源左右摆动实现波束扫描。电波束扫描•阵列天线采用移动各个辐射器所辐射的电波的相位进行移相，即电波束扫描（或电扫描）。•适用于波束快速扫描及巨型天线雷达。电波束扫描•电波束阵列的最大辐射方向即主瓣方向，具有相同相位。如果所有发射波的相位一致，最大辐射方向就垂直于阵列平面。但如果从一个单元到下个单元相位不断移动，最大辐射方向也将相应移动如图。因此通过对各个辐射单元的输入信号进

5、行适当的移动，波束可以在相当大的立体角范围内移动到任何需要的方向。电波束扫描•特点：灵活快速，波束可以不考虑任何形状和方式进行高速扫描或瞬时跳到任何位置；可以分成两个或多个波束，在不同频率上同时辐射，指向不同目标（代价是减小了探测距离）。电扫描•电扫描可以在一维或二维上进行，也可和机械扫描或天线的机械旋转结合使用。如图中空对地雷达天线，扇形波束在方位上进行电扫。天线装载机身下的吊舱中，沿纵轴旋转天线，可以观察飞机两侧。电波束扫描Ø实现方法：•相位扫描法•频率扫描法•时间延迟法等电扫描Ø局限性•复杂性增强，降低了大观察角度性能。性能

6、的降低是由于从偏离固定中心的角度观察时，天线的孔径缩短造成。缩短长度随该角度的余弦而减少。对小扫描角度，影响可以忽略，但对大角度，则会越来越严重。电扫描Ø局限性•透视缩短（在照射方向上有效孔径较小）的后果：波束震度等价，增益降低，最大实际观测角只能到±60°。采用机械扫描不会产生上述限制，因为孔径平面在所有观测角度都垂直于主瓣方向。电扫描--相位扫描法•在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改变各阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。如图为N阵元移相器天线阵•各阵元为无方向性的点辐射源，所有阵元的馈线输入端为等幅同相馈电，各移相器

7、的相移量分别为0，φ，2φ，…，（N-1）φ•ψ为由于波程差引起的相邻阵元辐射场的相位差为2dsin其中θ为阵元偏离法线方向的角度相位扫描法•当φ=ψ时，各分量同相相加，场强幅值最大：

8、E(θ)

9、=NE•当φ=0，各阵元等幅同相馈电：若θ=0，则方向性函数F(θ)=1，方向图最大值在阵列法线方向。•若φ≠0，则方向图最大值方向（波束方向）偏离，偏离角度θ0由移相器相移量φ决定：当θ=θ0时，F(θ0)=1相位扫描法•因此有公式2dsin0•其中φ为相邻阵元激励电流相位差，kψ为由波程差引起的任意阵元辐射场（

10、Ek）相对于零号阵元辐射场（E0)的相位超前；kφ为激励电流相位差引起的Ek对E0的相位延迟。相位扫描法2dsin0•在θ0方向，各阵元的辐射场之间，由于波程差引起的相位差正好与移相器引入的相位差相抵消，导致各分量同相相加获得最大值。