相控陣天線地基礎(chǔ)理論..

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1、實(shí)用文檔第二章相控陣天線的基礎(chǔ)理論相控陣天線是從陣列天線發(fā)展起來的，主要依靠相位變化實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間的移動(dòng)或掃描，亦稱電子掃描陣列（ESA）天線。雖然用于相控陣?yán)走_(dá)的相控陣天線有多種，但相控陣天線均是由多個(gè)天線單元，亦稱輻射器構(gòu)成的。天線單元可以是單個(gè)的波導(dǎo)喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等。在每個(gè)天線單元后端都設(shè)置有移相器，用來改變單元之間信號的相位關(guān)系，信號的幅度變化則通過功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)或者衰減器來實(shí)現(xiàn)。在掃描過程中，整個(gè)雷達(dá)不需要像采用普通陣列天線或者剖物面天線的雷達(dá)那樣進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此波束指向迅速靈活，且可以實(shí)現(xiàn)多波

2、束并行工作，使得雷達(dá)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。在相控陣天線的實(shí)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，闡述相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(yīng)用于一維相控掃描的相控陣?yán)走_(dá)中。根據(jù)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(cè)進(jìn)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(yīng)用最為廣泛，因此主要討論垂射陣。圖2.1是一個(gè)由個(gè)天線

3、單元組成的線性陣列原理圖，天線單元呈均勻排成一線，途中沿軸方向按等間距方式分布，天線單元間距為。每一個(gè)天線單元的激勵(lì)電流為。每一單元輻射的電場強(qiáng)度與其激勵(lì)電流成正比。天線單元的方向圖函數(shù)用表示。圖2.1單元線性相控天線陣原理圖標(biāo)準(zhǔn)文案實(shí)用文檔陣中第個(gè)天線單元在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度為：(2.1)式中，為第個(gè)天線單元輻射場強(qiáng)的比例常數(shù)，為第個(gè)天線單元至觀察點(diǎn)的距離，為第個(gè)天線單元的方向圖函數(shù)，為第個(gè)天線單元的激勵(lì)電流，可以表示成為：(2.2)式中，為幅度加權(quán)系數(shù)，為等間距線陣中，相鄰單元之間的饋電相位差，亦稱陣內(nèi)相移值。在線性傳播媒質(zhì)中，電

4、磁場方程是線性方程，滿足疊加定理的條件。因此，在遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)處的總場強(qiáng)可以認(rèn)為是線陣中個(gè)輻射單元在處輻射場強(qiáng)之和，因此有：(2.3)若各單元比例常數(shù)，各天線單元方向圖相同，則總場強(qiáng)表示為：(2.4)假設(shè)觀察點(diǎn)距離天線陣足夠遠(yuǎn)，則可認(rèn)為各天線單元到該點(diǎn)的射線互相平行。根據(jù)遠(yuǎn)場近似：(2.5)因?yàn)?2.6)將(2.5)、(2.6)式帶入(2.4)式，總場強(qiáng)可進(jìn)一步簡化為：((2.7)定義式(2.7)中為陣列因子，則該式說明了天線方向圖的一個(gè)重要定理——乘法定理。即陣列天線方向圖函數(shù)等于天線單元方向圖函數(shù)與陣列因子的乘積。標(biāo)準(zhǔn)文案實(shí)用文檔為了

5、便于討論和易于理解線性相控陣天線掃描原理，通常將圖2.1簡化為圖2.2所示情況。假定天線單元方向圖足夠?qū)?，滿足全向性，在線陣天線波束掃描范圍內(nèi)，可忽略其影響時(shí)，線陣天線方向圖函數(shù)可表示為：(2.8)式中，為幅度加權(quán)系數(shù)，為相鄰單元之間的饋電相位差，亦稱陣內(nèi)相移值,且，為天線波束最大指向。圖2.2單元線性相控天線陣簡化圖令，它表示相鄰單元接收到來自方向信號的相位差，可稱為相鄰單元之間的空間相位差。若令，對均勻分布照射函數(shù)，，可得：，由歐拉公式化簡得到：(2.9)對式(2.9)取絕對值，考慮到實(shí)際線陣中單元數(shù)目較大，在天線波束指向最大值附

6、近較小。根據(jù)等價(jià)無窮小替換，，故得到線陣的幅度方向圖函數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)文案實(shí)用文檔(2.10)可見，線性相控陣天線方向圖函數(shù)是以辛格函數(shù)表示的。由此，可以得到線陣天線的基本性能。當(dāng)時(shí)，有最大值，。此時(shí)波束指向的表達(dá)式為：(2.11)由式(2.11)可知，通過改變陣內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值，即可改變天線波束最大值指向。而是通過每個(gè)天線單元后端設(shè)置的移相器實(shí)現(xiàn)的。2.1.1平面相控陣天線掃描的基本原理平面相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(gè)方向上均可以進(jìn)行相控掃描的陣列天線。目前，大多數(shù)遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)以及新的三

7、坐標(biāo)相控陣?yán)走_(dá)均采用平面相控陣天線。一個(gè)平面相控陣天線可以分解為多個(gè)子平面相控陣天線或者分解成多個(gè)線陣。相應(yīng)的，由發(fā)射機(jī)至各天線單元的信號功率分配網(wǎng)絡(luò)與由天線單元到接收機(jī)之間的功率相加網(wǎng)絡(luò)也會隨之變化。平面相控陣天線單元的排列方式主要有兩種：矩形格陣排列和三角形格陣排列，后者可以看成是由兩個(gè)單元間距較大的按照矩形格陣排列的平面相控陣天線所構(gòu)成。圖2.3所示為平面相控陣天線示意圖，天線陣列位于平面上，共有個(gè)天線單元，沿方向的個(gè)陣元以間距均勻排列，沿方向的個(gè)陣元以間距均勻排列，從而形成矩形柵格陣的平面陣。圖2.3等間距排列的平面相控陣天線

8、示意圖標(biāo)準(zhǔn)文案實(shí)用文檔設(shè)目標(biāo)所在方向以方向余弦表示為，則由各天線單元到目標(biāo)方向之間存在的路程差決定了信號傳輸過程中的相位差。因此，沿軸和軸相鄰天線單元之間的空間相位差可分別表示為：(2.12)第個(gè)單元與第個(gè)參考單元之間的