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1、第二章相控陣天線的基礎理論和控陣天線是從陣列天線發(fā)展起來的，主要依靠和位變化實現天線波束指向在空間的移動或掃描，亦稱電子掃描陣列（ESA）天線。雖然用于和控陣雷達的和控陣天線有多種，但相控陣天線均是由多個天線單元，亦稱輻射器構成的。天線單元可以是單個的波導喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等。在每個天線單元后端都設罝有移和器，用來改變單元之間信號的扣位關系，信號的幅度變化則通過功率分配/和加網絡或者衰減器來實現。在掃描過程中，整個雷達不需要像采用普通陣列天線或者剖物面天線的雷達那樣進行機械運動，因此波束指向迅速靈活，且可以實現多波束并行工作
2、，使得雷達具有很強的自適應能力。在和控陣天線的實際使用過程中，線性相控陣天線平面相控陣天線是較為常見的兩種形式。下面分別以這兩種形式為例，闡述和控陣天線掃描的基本原理。2.1相控陣天線掃描的基本原理2.1.1線性相控陣天線掃描的基本原理線性相控陣天線廣泛應用于一維相控掃描的相控陣雷達中。根據基本的陣列類型，線性相控陣天線可以劃分為垂射陣列和端射陣列。垂射陣列最大輻射方向垂直于陣列軸向，天線波束在線陣法線方向左右兩側進行掃描。相反，端射陣列主瓣方向沿著陣列軸向。由于垂射陣應用最為廣泛，因此主要討論垂射陣。閣2.1是一個由7V個天線單元組成
3、的線性陣列原理閣，天線單元呈均勻排成一線，途中沿y軸方向按等間距方式分布，天線單元間距為每一個天線單元的激勵電流為/z（i=0，l，2，...N-l）。每一單元福射的電場強度與其激勵電流＜成正比。天線單元的方向閣函數用乂.（久釣表示。陣中第/個天線單元在遠區(qū)產生的電場強度為：(久灼(2.1)ri式中，仏為第f個天線單元輻射場強的比例常數，/;為第/個天線單元至觀察點的距離，/.(久釣為第/個天線單元的方向圖函數，為第/個天線單元的激勵電流，可以表示成為：I.=a.e'^(2.2)式屮，67,.為幅度加權系數，△么為等間距線陣屮，相鄰單元
4、之間的饋電相位差，亦稱陣內相移值。在線性傳播媒質中，電磁場方程是線性方程，滿足疊加定理的條件。因此，在遠區(qū)觀察點P處的總場強￡可以認為是線陣屮7V個輻射單元在P處輻射場強之和，因此有：?2兀AMAM,’T巧E=XE:=X(23)Z=0/=0ri若各單元比例常數K=l,各天線單元方向圖(久釣相同，則總場強表示為：AM/=0(2.4)假設觀察點P距離天線陣足夠遠，則可認為各天線單元到該點的射線互相平行。根據遠場近似：(2.5)對幅度：n對相位：巧==r0-idcosay因為cos6Zv=cos^sin^(2.6)將(2.5)、(2.6)式帶
5、入(2.4)式，總場強可進一步簡化為：N-E=m(p)X/=0a：eyi(^dcos^sin(p-^6R)A(2.7)定義式(2.7)中F(久灼=為陣列因子，則該式說明了天線/=0方向圖的一個重要定理一一乘法定理。即陣列天線方向圖函數￡(久灼等于天線單元方向圖函數/(/?，的與陣列因子F(6^)=的乘積。/=0為了便于討論和易于理解線性相控陣天線掃描原理，通常將閣2.1簡化為閣2.2所示情況。假定天線單元方向圖/(久勿足夠寬，滿足全向性，在線陣天線波束掃描范圍內，可忽略其影響時，線陣天線方向圖函數可表示為:N_=2/=0aeji(亨
6、dsin汐-A^e)(2.8)式中，％為幅度加權系數，A么為和鄰單元之間的饋電相位差，亦稱陣內和移值,J1△么=￥^/sin氏，么為天線波束最大指向。A為相鄰單元之間的空間相位差。若令卻-△么,對均勻分布照射函數，什=1，可得：F(0)=^^，由歐拉公式化簡得到：l-ejX.NvsinyxA=j—e1(2.9)sin-X2對式(2.9)取絕對值，考慮到實際線陣中單元數目TV較大，在天線波束指向最大值附近X較小。根據等價無窮小替換，sin---,故得到線陣的幅度方向閣22函數為：NNjr(2.10)sin—Xsin—-J(sin^-sin
7、么)IF⑹一=—X子d(sin沒-sin么)可見，線性相控陣天線方向圖函數
8、F(的
9、是以辛格函數表示的。由此，可以翻線陣天線的基本性能。當*X補，丨馴有最大值，附丨。此吋波束指向么的表達式為.?dB-arcsin(Al7td(2.11)由式(2.11)可知，通過改變陣內相鄰單元之間的陣內相移值A么，即可改變天線波束最大值指向。而A么是通過每個天線單元后端設置的移相器實現的。2.1.2平面相控陣天線掃描的基本原理平面和控陣天線是指天線單元分布在平面上，天線波束在方位與仰角兩個方向上均可以進行和控掃描的陣列天線。目前，大多數遠程、超遠程和控
10、陣雷達以及新的三坐標和控陣雷達均采用平面和控陣天線。一個平面相控陣天線可以分解為多個子平面和控陣天線或者分解成多個線陣。和應的，由發(fā)射機至各天線單元的信號功率分配網絡與由天線單元到接收機之間的功率和加網絡也
