电子基本原理之天线特性和扫描

13天前浏览177

摘要

正文

第6章天线特性和扫描

1.介绍

天线在发射过程中的作用，是将来自发射机的雷达能量集中成指向期望方向的赋形波束。在接收或侦听期间，天线的功能是收集回波信号中包含的雷达回波能量，并将这些信号传递给接收机。雷达天线通常以可识别的方向图来扫描定向波束。目前使用的天线主要分为三类：抛物形天线、卡塞格伦天线或相控阵天线。此外，雷达天线用于环境采样的方法，是雷达系统的一个关键设计特征。为某一特定雷达系统选择的扫描类型，往往决定了该雷达在综合防空系统中的应用。雷达天线用来搜索空域目标的过程称为扫描或扫掠。本章将讨论圆扫描、单向扫描、双向扫描、螺旋扫描、光栅扫描、帕尔默扫描和锥形扫描以及边扫描边跟踪(TWS)雷达系统。

2.抛物形天线

使用最广泛的雷达天线之一是抛物形反射器（图6-1）。抛物线形天线由发射机的雷达能量源照明，称为馈源。将馈源放置于抛物线的焦点处，雷达能量指向反射面。由于位于焦点处的点源能量被转换成均匀相位的波前，因此该抛物线非常适合于雷达天线的应用。通过改变该抛物形反射面的大小和形状，可以传输多种雷达波束形状。

图6-1 抛物形天线

a.图6-1所示的天线产生一个几乎对称的铅笔形波束，可用于目标跟踪。

b.通过延伸抛物形天线的水平尺寸，就形成了一种称为抛物形圆柱天线的雷达天线（图6-2）。这种天线的方向图是一个垂直的扇形波束。将这种天线方向图与圆扫描技术结合，就形成了一种非常适合于远程搜索和目标捕获的雷达系统。

图6-2 抛物形圆柱天线

c.通过延伸抛物线的垂直维度，就会产生一个雷达天线，该天线产生一个垂直维度很小的水平扇形波束（图6-3）。这种天线一般用于测高雷达系统。

图6-3 测高抛物形天线

d.基本抛物形天线的另一个变化，包括使用多馈源阵列而不是单一馈源（图6-4）。该抛物形天线可以产生多个对称或不对称的雷达波束，对称与否取决于各个馈源的角度和间距。

图6-4 多馈源抛物形天线

3.卡塞格伦天线

卡塞格伦天线使用双反射器系统来产生和聚焦雷达波束（图6-5）。主反射器使用抛物线轮廓，次反射器或子反射器则为双曲线轮廓，天线馈源位于双曲线的两个焦点之一。来自发射机的雷达能量从子反射器反射到主反射器，从而聚焦雷达波束。从目标返回的雷达能量，被主反射器收集并作为会聚波束反射到子反射器。雷达能量由子反射器再反射，在天线馈源处会聚。子反射器越大，它就越靠近主反射器。这样，就减少了雷达的轴向尺寸，但由于子反射器太大，增加了孔径遮挡。一个小的子反射器可以减少孔径遮挡，但它必须安装在离主反射器更远的地方。

图6-5 卡塞格伦天线

a.为了减少子反射器对孔径的遮挡，并提供一种快速扫描雷达波束的方法，人们研制了平板卡塞格伦天线。如图6-6所示。

图6-6 平板卡塞格伦天线

固定抛物形反射器由间隔小于半波长的平行导线组成，并由低损耗介质材料构成，这使得它的极化很敏感。固定抛物形反射器完全反映了一种线性极化，并且可以让正交极化通过。固定天线馈源位于可移动反射镜的中间，发射极化后被抛物形反射器反射的雷达信号。这个可移动反射镜是一个扭转反射器，它可以使雷达信号的极化改变90°。来自馈源的信号被抛物形反射器反射到反射镜，反射镜使极化旋转90°。这种旋转使发射的信号以最小的衰减通过抛物形反射器。通过旋转可移动的反射镜，雷达波束可以在很广的区域内进行扫描。反射镜偏转角度q，会导致光束扫描通过角度为2q。

b.卡塞格伦天线的几何形状，特别适合于单脉冲跟踪雷达的应用。与抛物形天线不同，单脉冲雷达所需的复杂馈源组件，可以放置在该反射器的后方，从而避免孔径遮挡。

4.相控阵天线 6-5

相控阵雷达，是计算机和数字技术应用于雷达设计领域的产物。相控阵天线是由许多独立的发射和接收单元，以特定的方向图组成的复杂排列。事实上，通过使用计算机，相控阵天线可以快速独立地控制这些单个单元组，从天线发射不止一个波束。多波束和雷达回波的计算机处理，使相控阵雷达具有边扫描边跟踪，以及同时攻击多个目标的能力。图6-7展示了相控阵雷达天线。

图6-7 相控阵天线

a.相控阵雷达利用雷达相位原理来控制单个的发射和接收元件。当两个发射频率同相时，它们的振幅相加，辐射能量加倍。当两个发射频率异相时，它们相互对消。利用这一原理，相控阵雷达可以控制发射雷达波束的形状（图6-8）。

图6-8 相位关系

b.相位关系和天线单元的间距，决定了发射波束的方向。在图6-9中，天线单元A和B相隔半波长，并且是同相发射，即当一个波束处于正峰值时，另一个波束也处于正峰值。由于天线单元之间的波长相差一半，当天线单元A发射的正峰到达天线单元B时，B将发射出一个负峰。当波峰沿X轴传播时，它们会相互对消，导致沿该轴的总辐射功率为零。然而，沿着Y轴，来自A的正峰将与来自B的正峰叠加，导致沿着该轴的总辐射功率处于最大值。这种类型的阵列称为“宽边天线阵”，因为发射的大多数波束，都在天线阵列线的宽边方向。

图6-9 宽边阵列

c.如果相同的天线单元被异相馈电，辐射的主方向将沿着天线单元的轴线。在图6-10中，当A的正峰到达B时，B此时也为正。这些能量相互作用，从而加强了从阵列末端辐射的能量。同时，当沿Y轴辐射的A的正峰与B的负峰相遇时，它们互相对消。这种类型的阵列称为“端射天线阵”。

图6-10 端射天线阵

d.控制传送到相控阵天线每个发射和接收单元的信号相位的计算机，可以控制辐射波束的方向和形状（图6-11）。通过将信号的相位在0°和180°之间移动，波束会扫描。这是产生天线扫描的基本手段。此外，施加到每个元件的信号的幅度（或功率）可以改变，从而控制旁瓣。这会改变波束的形状，从而影响雷达的距离探测能力和角分辨率。

图6-11 相控阵天线

e.图6-12描述了相控阵天线的一种变体，即所谓的平面阵列天线。平面阵列天线使用线阵中的发射和接收单元，但与相控阵雷达不同的是，平面阵列天线的发射和接收单元较小，并且放置在可移动的平板上。这种雷达的一个优点，是能够同时跟踪多个目标。

图6-12 相控阵天线

5.天线增益

任何类型天线最重要的特性是天线增益。天线增益是衡量天线向期望方向聚集能量的能力。天线增益不应与接收机增益相混淆，接收机增益是用来控制雷达系统接收机灵敏度的。天线增益有两种类型：定向增益和功率增益。

a.发射天线的定向增益，是在特定方向上辐射信号强度的量度。定向增益取决于特定雷达天线的辐射方向图的形状，它不考虑该天线的耗散损耗，可以用公式6-1计算。

公式6-1 定向增益

b.功率增益包含了天线耗散损耗，并使用公式6-2计算。

公式6-2 功率增益

c.术语各向同性天线描述了一种理论上的球形天线，它在所有方向的辐射强度相等。这就产生了一个球形的辐射方向图。各向同性天线上任何一点的功率密度都等于辐射强度，可以用总发射功率(PT)除以球体的总表面积来计算，如公式6-3所示。

公式6-3 各向同性天线的功率密度

d.各向同性或球形天线的辐射方向图，既不能提供方位角或仰角分辨率，也不能用于雷达应用。为了提供方位角和仰角分辨率，天线必须能聚焦雷达能量。实际天线的功率密度与各向同性天线的功率密度仅在天线增益(G)上不同。对公式6-3求解一个实际天线功率密度，可以得到公式6-4。

公式6-4 实际天线的功率密度

e.一个实际天线的实际功率增益(G)可以用公式6-5计算。

公式6-5 一种实际天线的功率增益

6.功率密度

天线的功率密度和增益是雷达系统天线方向图的函数。图6-13和6-14展示了典型抛物形天线的方向图。雷达的大部分功率密度集中在主波束上。然而，由于雷达不是一种完美的反射器，一些雷达能量是通过旁瓣传输的。此外，由于馈源辐射的能量没有被反射器截获，因此还存在溢出辐射。最后，由于反射器的衍射效应和直接信号泄漏，雷达产生了一个后瓣。旁瓣和后瓣都是不期望产生的辐射，会对雷达的最大探测距离产生不利影响，并使雷达在某些干扰技术下，变得更脆弱。

图6-13 抛物形天线的辐射方向图

图6-14 雷达天线方向图

a.所有的雷达都有一个主波束，这是雷达功率最大的地方，也是通常探测目标的地方。该主波束的尺寸高度依赖于天线的设计。

b.除了主波束，所有的雷达都有所谓的后瓣，正对着主波束的位置。与后瓣相关的灵敏度和信号强度，都明显小于主波束中的灵敏度和信号强度。

c.旁瓣为雷达方向图增加了另一个维度。与后瓣一样，旁瓣没有与主波束相关的信号强度或灵敏度。通常，与旁瓣相关的灵敏度比主波束低40-50分贝（dBs）。雷达信号在主波束的后瓣和旁瓣中的减弱，从而在这些区域容易受到干扰。由于减少的需要有效的干扰/信号比，因此在这些区域引入干扰要容易得多。由于主波束的雷达信号很强，在该区域很难进行有效干扰。

7.圆扫描

圆扫描雷达使用一个天线系统，在方位角上连续扫描360°（图6-15）。天线扫描一个完整的360°周期所需的时间称为扫描速率。扫描持续时间是“每次扫描的击中次数”或是在一次完整扫描中，当雷达波束穿过目标时，目标反射的脉冲数。大多数脉冲雷达每次扫描需要命中目标15到20次，才能获得足够的信息来显示目标。决定雷达每次扫描命中次数的因素，包括脉冲重复频率(PRF)、天线波束宽度和扫描持续时间。

a.圆扫描雷达能提供精确的目标距离和方位角信息，这使得这些雷达能够进行早期预警和初始目标捕获。为了完成这些任务，天线产生一个扇形波束，该扇形波束的垂直波束宽度较大，水平波束宽度较小。由于仰角信息通常由测高雷达提供，因此垂直波束宽度的大小不受限制。为了早期发现目标，这种天线扫描允许雷达扫描大量的空域。由于早期探测是预警雷达的首要目标，因此，准确的高度和方位角分辨率成为次要考虑因素。

b.用于早期预警的圆扫描雷达，能发射具有低脉冲重复频率的雷达信号。低脉冲重复频率，让雷达脉冲在另一个脉冲发射之前，有足够的时间长距离传播和返回。这使得雷达系统具备长且清晰的距离能力。低脉冲重复频率的圆扫描雷达，通常采用长脉冲宽度来提高平均功率和远距离探测能力。为了提供远程目标探测所需的“每次扫描命中数”，预警雷达的扫描持续时间相对较长。平面位置指示器(PPI)范围显示器，通常与圆扫描雷达一起使用（图6-16）。

a.为了覆盖大量空域，圆扫描雷达的波束宽度相对较宽。这种宽波束宽度，加上长脉冲宽度和低脉冲重复频率，使圆扫描雷达具有大分辨率单元，特别是在远距离（图6-17）。这种限制，可以用来掩蔽力的大小和组成。然而，随着距离的减小，分辨率单元的尺寸也减小，圆扫描雷达将开始突破目标编队。

图5-17 雷达的分辨率单元

b.圆扫描雷达为预警和捕获提供距离和方位角信息。改进的圆扫描雷达，还能提供仰角信息，可以用于地面控制拦截(GCI)。确定距离、方位角和仰角的两种改进的圆扫描雷达，是V波束和堆叠波束。

1.V波束雷达发射两个扇形波束，它们重叠在一起（图6-18）。垂直波束提供距离和方位角信息。第二个光束，以某种方便到达的角度旋转，测量目标的高度。

图6-18 V波束雷达

2.堆叠波束雷达（图6-19）采用垂直堆叠的固定仰角“铅笔”形波束，旋转360°。仰角信息是通过记录哪个波束包含目标回波来获取的。距离和方位角信息的确定方式与预警雷达相同。

图6-19 堆叠波束雷达

8.线性扫描

线性扫描是一些雷达系统使用的一种方法，它以一个固定的方向图扫描一个窄的雷达波束，从而覆盖大量的空域。线性扫描可以在垂直方向上定向，用于测高雷达，或者在水平方向上定向，或光栅，用于捕获和目标跟踪雷达。一个单向线性雷达在一个单一的方向扫描，然后开始它的全方位角扫描（图6-20）。通常，线性扫描有着出色的单轴覆盖，窄波束能提供增强的方位角和仰角分辨率。

图6-20 单向线性扫描

9.单向扫描

螺旋扫描是一种单向扫描方向图，允许“铅笔”形光束搜索360度的方向图。在图6-21中，天线沿顺时针方向扫过360°的区域。在每一次完整旋转后，天线的仰角增加。在此扫描方向图下，天线重复指定的旋转次数，在本例中为360°扫描。在扫描方向图结束时，天线仰角被重置到初始仰角，并重复扫描。螺旋扫描是垂直和水平束宽较窄的雷达系统中常用的目标捕获模式。

图6-21 螺旋扫描

10.双向扫描

双向线性扫描，如光栅扫描，垂直和水平扫描（图6-22）。光栅扫描使用细光束通过水平扫描矩形区域来将其覆盖。对区域进行每一次水平扫描后，仰角逐渐增大或减小。在区域被覆盖后，仰角被重置为初始值，并重复该过程。光栅条的数量，由基本光栅方向图中的水平扫描数进行设置。图6-22显示了一个四条光栅扫描，通常与空中拦截机(Al)雷达相关联。