雷达天线 1 雷达天线的简介 雷达中用以辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。雷达的重要战术性能，如探测距离、探测范围、测角(方位、仰角)精度、角度分辨力和反干扰能力均与天线性能有关。 雷达天线在空间聚成的立体电磁波束，通常用波束的水平截面图(即水平方向图)和垂直截面图(即垂直方向图)来描述。方向图呈花瓣状，又称为波瓣图。常规的 天线方向图有一个主瓣和多个副瓣。主瓣用于探测目标。副瓣又称旁瓣，是无用的，愈小愈好。雷达的战术用途不同，所要求的天线波束形状也不相同。常规雷达的 发射波束和接收波束是相同的，一些特殊体制的雷达，发射波束和接收波束不同。脉冲雷达多数是发射和接收共用一个天线，靠天线收发开关进行发射和接收工作状 态的转换。有些雷达(如多基地雷达和连续波雷达)，其发射天线和接收天线是分开的。 2 雷达天线的种类 雷达天线类型很多，按其结构形式，主要有反射面天线和阵列天线两大类。按天线波束的扫描方式，雷达天线可分为机械扫描天线、电扫描天线和机电扫描结合的天线 反射面天线由反射面和辐射器组成。辐射器又称馈源、辐射元、照射器，它向反射面辐射 电磁波，经反射形成波束。典型的反射面天线是旋转抛物面天线，切割抛物面天线、抛物柱面天线、卡塞格伦天线、单脉冲天线、叠层波束天线、赋形波束天线和偏馈天线等多种形式。机械扫描天线通过机械的方法驱动天线转动，实现天线波束在方位和仰 角二维的扫描，扫描的速度较慢。电扫描天线，天线固定不动，波束在方位和仰角二维的扫描，都是用电子技术控制阵列天线上各辐射单元的馈电相位或工作频率来 实现，波束扫描的速度很快。机电扫描结合的天线一般是方位扫描由机械驱动天线旋转进行，仰角扫描由电子技术控制各辐射单元的馈电相位或工作频率来实现，因 此其方位扫描较慢，仰角扫描很快。有时也把机电扫描结合的天线叫一维电扫描天线。
雷达天线的主要性能指标 雷达天线主要目的是更好地接受和发送数据，采用不同种类的天线拥有不同的指标，但雷达天线主要的性能指标有波瓣宽度、有效面积、增益、副瓣电平、极化方式、频带宽度、天线转速和抗风力等。 3.1 波瓣宽度 波瓣宽度是天线方向图中主波瓣电磁场半功率点 (0.707场强点)间的宽度，有水平波瓣宽度和垂直波瓣宽度。在雷达工作波长固定的条件下，天线口径尺寸越大，波瓣宽度越窄。在天线口径尺寸固定的条件 下，工作波长越短，波瓣宽度越窄。天线波瓣宽度与雷达的测角精度和角分辨力直接有关，波瓣窄，测角精度高，角分辨力强。 3.2 有效面积 有效面积表示雷达天线接收空中信号 功率的能力，即雷达天线接收到的信号功率与来自最大辐射方向的信号的功率密度之比。一般雷达天线的有效面积为天线实际几何面积的50%～90%。 3.3 增益表示 增益表示 雷达天线聚集波束的能力，其大小为雷达天线在最大辐射方向所辐射的功率与一各个方向都均匀辐射的天线在同一方向上辐射的功率之比(在两天线输入功率相同的 条件下)。在雷达工作波长固定时，天线口径面积越大，天线增益越高；如果天线口径面积固定，则工作波长越短，增益越高。 3.4 副瓣电平 副瓣电平是指副瓣的最大电磁场强度与主瓣的最大电磁场强度之比，用分贝表示。雷达天线有很多副瓣，因此有最大副瓣电平和平均副瓣电平两项性能指标。根据雷达反干扰性能的要求，天线副瓣电平越低越好。 3.5 极化方式、频带宽度、天线转速与抗风力 雷达天线通常置于露天工作，直接受到自然界中的风、雨、冰雪、沙尘以及
太阳辐射、盐雾等的影响使天线的性能降低，寿命缩短。为此，很多地面和舰载雷达的天 线配有天线罩。机载雷达由于在高速平台上工作，则必须配有天线罩，以改善气动性能。天线罩是用对电磁波透过率很高的材料制成，可保护天线免受恶劣自然环境 的影响，减轻天线磨损、腐蚀和老化，使天线性能稳定可靠，延长使用寿命。天线罩可使天线减少对风的防护措施，因此可减轻天线机械结构重量，降低天线驱动功率。 4 几种主要的雷达天线 4.1 抛物面天线 常用的抛物面天线从结构上看，主要由两部分组成： 照射器，由一些弱方向性天线来担当，想短电对称振子天线，喇叭天线。 抛物面，它一般有导电性能较好的铝合金板构成，其厚度为1.5-3（mm），或者用玻璃钢构成主抛物面，然后在其内表面粘贴一层金属网或金属栅栏。网孔的最大值要求小于λ/8-λ/10，过大将造成对电磁波的漏射现象，影响天线的正常工作性能。
图 1 普通抛物面天线的结构图 图 2 普通抛物面天线的几何关系图 微波的传播特性与光相似，因此，位于焦点F的馈源所辐射的电磁波经抛物面反射后，在抛物面口径上得到同相波阵面，使电磁波沿天线轴向传播。如果抛物面口径尺寸为无限大，那么抛物面就把球面波变为理想平面波，能量只沿z轴正方向传播，其它方向辐射为零。但实际上抛物面的口径是有限的，这时天线的辐射是波源发出的电磁波通过口径面的绕射，它类似于透过屏上小孔的绕射，
因
而得到的是与口径大小及口径场分布有关的窄波波束。 4.2卡塞格伦天线 卡塞格伦天线是一种双反射面天线，其主反射面是旋转抛物面，副反射面是旋转双曲面。卡塞格伦天线的结构与普通抛物面天线的差别，不仅在于多了一个副反射面，而且把馈源安装到了主反射面后面上，如图3所示。故有时也把卡塞格伦天线称为后馈天线。
图 3 卡塞格伦天线的结构图 双反射面的优点之一在于可以采用赋形技术。如果修正旋转双曲面的形状，使口径场分布符合要求，同时适当地修改主面以校正由于副面改变而引起的口径场相位差，那么，卡塞格伦天线将有较高的电性能。但卡塞格伦天线的副面直径一般要取较大，这在小口径天线中会造成较大的遮挡，所以在小天线中很少采用卡塞格伦结构方案。 卡塞格伦天线与普通抛物面天线相比较，他的优点是：1、设计灵活，两个反射面共有四个独立的几何参数可以调整；2、利用焦距较短的抛物面达到了较长焦距抛物面的性能，因此减少了天线的纵向尺寸，这一点对大口径天线很有意义；3、减少了馈源的漏溢和旁瓣的辐射；4、作为卫星地面接受天线时，因为馈源是指向天空的所以由于馈源漏溢而产生的噪声温度比较低。缺点是副反射面对主反射面会产生一定的遮挡，使天线的口径效率有所降低。由于其口径都在4.5M以上，所以制造成本较高，而且接收卫星信号时调试有点复杂。
4.3 单脉冲天线 在雷达应用中，单脉冲天线可采用阵列天线，也可采用反射面和单脉冲馈源组成。如果是采用单脉冲馈源，则馈源一般采用多个(4个)叭或者单口多模喇叭。 平面(俯仰面)内单脉冲技术的工作原理。 当一个横向偏焦的喇叭，置于抛物面焦点附近时天线将产生一个偏离天线轴的波瓣，其波束偏移角sθ正比于偏焦距离x。为了获得两个对称于天线轴，并有相同偏移角sθ的波瓣，可用两个对称于天线轴的横向偏焦喇叭来完成，如下图所示。
图4 幅度比较单脉冲 若探测到一个目标，来自A方向，这时两波束收到的回波信号相位相同，但幅度不等。两信号相减形成的差信号是目标方向的函数。这个差信号的大小，表示了目标偏离天线轴向角度的大小，差信号的正负，则表示目标偏向哪一边。由差信号驱动电机使天线转动而对准目标，则差信号为0。从而实现了跟踪。 单脉冲天线的分析 次级波束加减法：是把馈源分离成几个单独的馈源，例如把四喇叭馈源看作四个馈源，每个喇叭各自产生偏轴的次级波束，然后把比较器的作用归结为对次级波束的直接相加和相减，从而得到单脉冲天线的和波束和两个差波束。 口径场法：是将馈源和比较器视为一个整体。把接收时产生的三个波束用发射状态来分析。馈源口径上有三种初级场分布，这三种初级场分布产生的三个初级波束照射反射面。在反射面口径上建立起相应的三种次极口径场 分布，然后向空间发射三个次级波束。
4.4 赋形波束天线 波束赋形概念的最初来源：其一，当基站接收信号时，来自各个用户的有用信号到达基站的方向可能不同，且信号与其到达角度之间存在复杂的依赖关系；其二，当基站发射信号时，可被用户有效接收的也只是部分的信号。考虑到这一因素，调整天线方向图使其能实现指向性的接收与发射是很自然的想法。因此波束赋形概念形成。 波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带（中频）信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间的干扰。因此，首先需要建立系统模型，描述系统中各处的信号，而后才可能根据系统性能要求，将信号的组合或分配表述为一个数学问题，寻求其最优解。 根据应用场合的不同，一般可以将波束赋形算法分为上行链路应用以及下行链路应用。无论是哪种情况，总可以用一个时变矢量（MIMO）信道来描述用户端与基站端的信号关系，对于上行链路，多个发射信号实质上是K个用户设备同时发送的信号，基站则使用多个天线单元接收信号，对其进行处理和检测，这时发送端的信号分配仅在各个支路分别进行；对于下行链路，基站仍可能使用多个天线单元向特定用户发射信号，但用户设备使用单天线检测与其有关的信号，这时接收部分降为一维，信号组合也仅对于单路信号进行。 波束赋形的一般过程为： ⑴根据系统性能指标（如误码率、误帧率）的要求确定优化准则（代价函数），一般这是权重矢量与一些参数的函数； ⑵采用一定的方法获得需要的参数； ⑶选用一定的算法求解该优化准则下的最佳解，得到权重矢量的值。 4.5 偏馈天线 偏馈天线是相对于正馈天线而言，是指偏馈天线的馈源和高频头的安装位置不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上。因此，就没有所谓馈源阴影的影响，在 天线面积，加工精度，接收频率相同的前提下，偏馈天线的增益大于正馈天线。 但无论正馈天线，还是偏馈天线，它们都是旋转抛物面的截面，只是截取的位置不同而已。 当旋转抛物面的旋转轴指向卫星时，电波经偏馈天线反射后，一定会聚于焦点，且电波行程相等，由于电波行程相等，因而到达馈源的电波都是同相的，使
进入波导的电波振幅加大，从而起到了能量会聚的作用。 计算偏馈天线焦距的一个方法。 首先，测量偏馈天线长轴与天线外沿的两个交点 A、B 到馈源 F 的距离AF、BF，再测量 AB 的长度； 其次，将 AF、BF 代入方程组： ¸ {AF = AFcosθ+2fBF = BFcos(θ+△θ)+2f 式中，△θ= arccos[(AF2+BF2-AB2)/2AF*BF] ¸ 最后，解此方程组，所求得的结果 f，即为天线焦距¸
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