相控陣天線(xiàn)的基礎(chǔ)理論.doc

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1、.word格式,第二章相控陣天線(xiàn)的基礎(chǔ)理論相控陣天線(xiàn)是從陣列天線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的，主要依靠相位變化實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)波束指向在空間的移動(dòng)或掃描，亦稱(chēng)電子掃描陣列（ESA）天線(xiàn)。雖然用于相控陣?yán)走_(dá)的相控陣天線(xiàn)有多種，但相控陣天線(xiàn)均是由多個(gè)天線(xiàn)單元，亦稱(chēng)輻射器構(gòu)成的。天線(xiàn)單元可以是單個(gè)的波導(dǎo)喇叭天線(xiàn)、偶極子天線(xiàn)、貼片天線(xiàn)等。在每個(gè)天線(xiàn)單元后端都設(shè)置有移相器，用來(lái)改變單元之間信號(hào)的相位關(guān)系，信號(hào)的幅度變化則通過(guò)功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)或者衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在掃描過(guò)程中，整個(gè)雷達(dá)不需要像采用普通陣列天線(xiàn)或者剖物面天線(xiàn)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)多波束并行工作，使得雷達(dá)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力

2、。在相控陣天線(xiàn)的實(shí)際使用過(guò)程中，線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)平面相控陣天線(xiàn)是較為常見(jiàn)的兩種形式。下面分別以這兩種形式為例，闡述相控陣天線(xiàn)掃描的基本原理。2.1相控陣天線(xiàn)掃描的基本原理2.1.1線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)掃描的基本原理線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)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(lèi)型，線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)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(xiàn)波束在線(xiàn)陣法線(xiàn)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(xiàn)單元組成的線(xiàn)性陣列原理圖，天線(xiàn)單元呈均勻排成一線(xiàn)，途中沿軸方向按等間距方式分布，天線(xiàn)單元

3、間距為。每一個(gè)天線(xiàn)單元的激勵(lì)電流為。每一單元輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與其激勵(lì)電流成正比。天線(xiàn)單元的方向圖函數(shù)用表示。圖2.1單元線(xiàn)性相控天線(xiàn)陣原理圖,專(zhuān)業(yè).專(zhuān)注..word格式,陣中第個(gè)天線(xiàn)單元在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為：(2.1)式中，為第個(gè)天線(xiàn)單元輻射場(chǎng)強(qiáng)的比例常數(shù)，為第個(gè)天線(xiàn)單元至觀察點(diǎn)的距離，為第個(gè)天線(xiàn)單元的方向圖函數(shù)，為第個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)陣中，相鄰單元之間的饋電相位差，亦稱(chēng)陣內(nèi)相移值。在線(xiàn)性傳播媒質(zhì)中，電磁場(chǎng)方程是線(xiàn)性方程，滿(mǎn)足疊加定理的條件。因此，在遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)處的總場(chǎng)強(qiáng)可以認(rèn)為是線(xiàn)陣中個(gè)輻射單元在處輻射場(chǎng)強(qiáng)之和，因此有：(

4、2.3)若各單元比例常數(shù)，各天線(xiàn)單元方向圖相同，則總場(chǎng)強(qiáng)表示為：(2.4)假設(shè)觀察點(diǎn)距離天線(xiàn)陣足夠遠(yuǎn)，則可認(rèn)為各天線(xiàn)單元到該點(diǎn)的射線(xiàn)互相平行。根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)近似：(2.5)因?yàn)?2.6)將(2.5)、(2.6)式帶入(2.4)式，總場(chǎng)強(qiáng)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：((2.7),專(zhuān)業(yè).專(zhuān)注..word格式,定義式(2.7)中為陣列因子，則該式說(shuō)明了天線(xiàn)方向圖的一個(gè)重要定理——乘法定理。即陣列天線(xiàn)方向圖函數(shù)等于天線(xiàn)單元方向圖函數(shù)與陣列因子的乘積。為了便于討論和易于理解線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)掃描原理，通常將圖2.1簡(jiǎn)化為圖2.2所示情況。假定天線(xiàn)單元方向圖足夠?qū)挘瑵M(mǎn)足全向性，在線(xiàn)陣天線(xiàn)波束掃描范圍內(nèi)，可忽略其影響

5、時(shí)，線(xiàn)陣天線(xiàn)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(chēng)陣內(nèi)相移值,且，為天線(xiàn)波束最大指向。圖2.2單元線(xiàn)性相控天線(xiàn)陣簡(jiǎn)化圖令，它表示相鄰單元接收到來(lái)自方向信號(hào)的相位差，可稱(chēng)為相鄰單元之間的空間相位差。若令，對(duì)均勻分布照射函數(shù)，，可得：，由歐拉公式化簡(jiǎn)得到：,專(zhuān)業(yè).專(zhuān)注..word格式,(2.9)對(duì)式(2.9)取絕對(duì)值，考慮到實(shí)際線(xiàn)陣中單元數(shù)目較大，在天線(xiàn)波束指向最大值附近較小。根據(jù)等價(jià)無(wú)窮小替換，，故得到線(xiàn)陣的幅度方向圖函數(shù)為：(2.10)可見(jiàn)，線(xiàn)性相控陣天線(xiàn)方向圖函數(shù)是以辛格函數(shù)表示的。由此，可以得到線(xiàn)陣天線(xiàn)的基本性能。當(dāng)時(shí)，有最大值，。

6、此時(shí)波束指向的表達(dá)式為：(2.11)由式(2.11)可知，通過(guò)改變陣內(nèi)相鄰單元之間的陣內(nèi)相移值，即可改變天線(xiàn)波束最大值指向。而是通過(guò)每個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)掃描的基本原理平面相控陣天線(xiàn)是指天線(xiàn)單元分布在平面上，天線(xiàn)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(xiàn)。目前，大多數(shù)遠(yuǎn)程、超遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)以及新的三坐標(biāo)相控陣?yán)走_(dá)均采用平面相控陣天線(xiàn)。一個(gè)平面相控陣天線(xiàn)可以分解為多個(gè)子平面相控陣天線(xiàn)或者分解成多個(gè)線(xiàn)陣。相應(yīng)的，由發(fā)射機(jī)至各天線(xiàn)單元的信號(hào)功率分配網(wǎng)絡(luò)與由天線(xiàn)單元到接收機(jī)之間的功率相加網(wǎng)絡(luò)也會(huì)隨之變化。平面相控陣天線(xiàn)單元的排列方式主要有兩

7、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(xiàn)所構(gòu)成。圖2.3所示為平面相控陣天線(xiàn)示意圖，天線(xiàn)陣列位于平面上，共有個(gè)天線(xiàn)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。,專(zhuān)業(yè).專(zhuān)注..word格式,圖2.3等間距排列的平面相控陣天線(xiàn)示意圖設(shè)目標(biāo)所在方向以方向余弦表示為，則由各天線(xiàn)單元到目標(biāo)方向之間存在的路程差決定了信號(hào)傳輸過(guò)程中的相位差。因此，沿軸和軸相鄰天線(xiàn)單元之間的