【文章內容簡介】 c os4c os4)( 2020m a x ?? 式中 a為陣元面積。上式說明，如果單元的反射系數(shù)為零，則單元的方向函數(shù)應該為 ?cos 。 可以證明，如果單元的方向函數(shù)為 ?cos 形式時，其反射系數(shù)在掃描過程中恒定不變。如此，在某個掃描角實現(xiàn)了匹配也就實現(xiàn)了整個掃描過程的匹配。 如果陣元不具備 ?cos 型的方向性，則需要采用其他的方法來實現(xiàn)掃描時的寬角匹配。其中一種方法利用薄介質板進行補償，介質板尺寸和陣面一樣大，平行的放在面陣的前面。板的存在相當于在等效的空間傳輸線上并聯(lián)一容性電抗。 若介質板的厚度為 t，介電常數(shù)為 ? ， ? 為入射角，則垂直極化時介質板的電納為： ????? c os1)1(2)( 00 ?? tGB 平行極化時介質板的電納為： ???????? ??? ?? ?????? c oss i nc os)1(2)( 200 tGB 由以上兩個公 式可觀察到，若把介質板置于平面陣前面，陣掃描時介質板的電納隨 ? 的變化正好與陣因子隨 ? 的變化相反，從而實現(xiàn)了互相補償。應用這種方法可將介質板兼做天線罩，需要注意的是，介質板上可能產生慢表面波，使得單元波瓣產生盲點。 相控陣基本特性 線陣的幅度方向圖可表示為： )s i n(s i ns i n)s i n(s i ns i ns i ns i n)(212BBNddNXXF????????????? 當 N較大時，因 X較小，因此近似可得到： )s i n( s i n)s i n( s i ns i n22s i n)(BBdNdNNXNXNNF????????????? 上式表 明線 陣的方向 圖函 數(shù)為辛 格函 數(shù)，根據(jù)上式可 得出線 性相 控 陣天 線的基本特性。 波束指向 當 02 ?XN 時，辛格函數(shù)為 1，可得線陣方向圖的最大值。這說明 0sinsin ?? B?? ，即B??? 時，可求得天線方向圖的最大值。 由式???????????BB dd????????sin2sin2可得： BB d ???? ?? 2sin或 ?????? ?? BB d ???? 2a rc s in 波瓣寬度 對于辛格函數(shù)，當 ?XN 時，有 22sin ?XNXN 波瓣半功率點寬度21??，因為 in221 ??????? ?? BdN ???? 且BB d ???? sin2??， 所以dNB ???? ??? ins in 設2121 ??? ??? B 已知BBB ?????? c os21s i n)21s i n(s i n 2121 ?????? 代入可得 )(c os os 121 r adNddN BB ?????? ??????? 或 )(51c os121 ???? NdB ??? 可見波束寬度與天線口徑長度（ Nd）成反比。另外我們通過觀察，波束寬度與天線掃描角 B?有關。當波束指向偏離陣列法線方向越大，即 B? 越大時，則波束半功率點寬度增加也越大。 天線增益 對于等幅口徑分布，天線增益的理論值為 AG20 4???， A為天線口徑面積，對于 N單元線陣，2??d 時， 22 4 ?NNdA ?? ，所以 ?NG ?0 。 天線波束由法線方向掃描至 B? 后，天線在 B? 方向的有效口徑減小至 BA ?cos ，因此天線增益降為BB AG ??? cos4 20 ?。 當 2??d 時， BB NG ?? cos0 ? 。 天線波束的零點和副瓣電平 天線波束的零點位置取決于 ????? PdN B ??????? ??s in221，其中 P 取 ?2,1?? ， P 表示零點位置的序號。第 P個零點的位置0p? 推倒出公式為： ?????? ??? Bp NPd ????? 22s in 0 ???????? ?????? ??? Bp NPd ????? 22a rc s i n0 天線波束的副瓣位置 天線波束的副瓣位置決定于下式： ?2,1,2 12s i n221 ??????????? ?? lldN B ????? 所以第 l 個副瓣位置 l? 為： ?????? ???? Bl Nld ???? 122s in ???????? ?????? ???? Bl Nld ???? 122a rc s i n 另外第 l 個副瓣電平為： ?? )12(2221s i n2s i n)(???? lNXXNXNF l 因此， 1?l 時，第一副瓣電子為 ， 2?l 時，第二副瓣電平為 。 空間、陣內相位差之間的單元平衡時，波瓣圖出現(xiàn)最大值，由以下公式決定： md Bm ????? 20s in2 ???? （ 7） 式中 m? 為可能出現(xiàn)的波瓣最大值， ?,2,1,0 ???m 。 m=0時，因為mB d ???? sin2??，所以（ 7）決定了波瓣的最大值； m ? 0 時 ， 除 了Bmd ???? ??sin2決定 ? 方 向 上 有 波 瓣 最 大 值 外 ， 在md Bm ????? 2s in2 ??? 決定 ? 方向上也會有波瓣最大值，即柵瓣。 相控陣天線饋電 在相控陣天線是由許多小的天線單元。一般來說 ,大約一百天線陣、平面相控陣天線成千上萬的天線元素。意識到 ,雷達信號發(fā)射機輸出根據(jù)振幅分布和相位梯度喂養(yǎng)需求到每個單位 ,這是最重要的問題。提要網絡的相控陣天線 ,傳輸線系統(tǒng)是為了解決這個問題。 為了實現(xiàn)低副瓣相控陣天線，饋線系統(tǒng)提供給每個天線單元的電流幅度是不同的。一般情況中，陣列中間天線單元的電流最大，邊緣單元電流最小。 饋電系統(tǒng)還需保證每個天線 單元激勵電流的相位符合天線波束掃描指向要求。其中之一就是通過降低饋線系統(tǒng)的復雜性來降低成本。因此，減少移相器和每個開關元件的數(shù)目、簡化控制信號的產生方式以及壓縮移相器控制信號的數(shù)目等措施，都與饋相方式緊密相關。 對平面陣的饋相，可以分解成對若干個相同子陣和對另一子陣的饋相。這種方式的移相器數(shù)目要增加一個線陣單元數(shù)目，單移相器控制信號容易出現(xiàn)，設備也大量的減少了。另外，通過將陣內相位矩陣分解為若干個小的正方形或矩形矩陣，可以構成總的平面陣列。 在發(fā)射天線 陣中，從發(fā) 射機到各個天線單元，需要經過一個饋 線網絡 進行功 率分配。接收陣 列天線中，由各天 線單元至接 收機間的饋 線網絡進行功率匯總。饋 線系統(tǒng)是相 控陣天線中的核心組成部分之一。低副 瓣天線對饋 線系統(tǒng)幅 度和相位精 度的要求非常高，還有其他的因素例如承 受高功率的能力、系統(tǒng)損耗、測試和調整可操作性、體積、重量等，都對相位精度有影響。平面相控陣天線的饋 電方式主要有強 制饋 電、空間饋 電或光學饋 電三種。 多波束陣列天線 多波束天線就是在空間能同時產生多個獨立波束，并使每個波束與一輸入端對應的天線。它可以是一組饋源喇叭饋電的反射面天線或透 鏡天線，也可以是由一個波束形成網絡激勵的平面陣列。我們僅討論由波束形成網絡激勵的多波束天線。 用陣列天線實現(xiàn)多波束特性的關鍵在于構成一種饋電網絡，通過這種網絡對許多不同的輸入端提供陣列單元的線性相移，以此達到形成不同方向波束的目的。這種網絡成為波束形成網絡，其中最著名的便是 Butler矩陣，我們對它作簡單介紹，如下： 圖 8 二元 Butler 矩陣 圖 8 為一個簡單的對二元陣饋電的 Butler 波束形成矩陣，該饋電系統(tǒng)使用了一個混合接頭和一個 90176。固定相移器。 火鶴接頭可以是波導魔 T或微帶混合環(huán)。魔 T或混合環(huán)有如下特性：當信號從 1 端輸入時， 2 端和 3 端可以得到等幅同相的輸出。當信號從 4 端輸入時， 2 端和 3端可以得到等幅反相輸出。當信號從 1端輸入時， 2端和 3端輸出等幅同相信號。由于 2 端相移相的作用，傳輸?shù)疥囋?A的信號相對于陣元 B的信號有一 90176。的相移。所形成的波束指向的方向，使得來自陣元 B的波束比來自陣元 A的波束多走 40? 的路程，以補償陣元 A的 90176。相移。該方向相對中線向左傾斜 45176。同理，當信號從 4端輸入時，傳輸?shù)疥囋?A的信號 相對于陣元 B的信號有 +90176。相移。因此，所形成的波束相對中線向右傾斜 45176。因為 1 端和 4端是彼此隔離的，所以這兩個波束是無關的，不僅可以獨立存在，還可以同時存在。 表 1 各端口分別激勵時各陣元相對單元 A 的相位分布 A B C D 1 端激勵 0176。 45176。 90176。 135176。 2 端激勵 0176。 135176。 270176。 405176。 3 端激勵 0176。 135176。 270176。 405176。 4 端激勵 0176。 45176。 90176。 135176。 二元陣的原理也可以推廣到多元陣，只需要更多的互不相關的輸入端口，每個輸入端口都將利用整個陣的增益性產生一個波束，采用混合接頭構建波束形成矩陣時，陣元數(shù)目必須為 2的整次冪。 90176。 相移器 A B 1 2 3 4 第四章 雷達發(fā)射和接收機制分析 雷達發(fā)射機制分析 雷達發(fā)射機的作用及組成 雷 達是利用物 體反 射電 磁波的特 性來發(fā)現(xiàn)目標并確定目標的距 離、方 位、高 度和速度等參 數(shù)的。因此 , 雷 達工作時要求發(fā) 射一種特 定的大功 率無 線電信號。發(fā)射 機在雷 達中就是起這一作用的。它為雷 達提供一個載 波受到調 制的大功率射頻信號 , 經天 線和收發(fā)開關由天線輻 射出去。 常用的雷達發(fā)射機有單級振蕩式 和主振放大式兩種。 單級振蕩式發(fā)射機 電 源 、 控 制 、 保 護電 路預 調 器脈 沖 調制 器大 功 率 射 頻振 蕩 器定 時 器天 線 圖 9 單級振蕩式發(fā)射機組成框圖 如圖 9所示的單級振蕩式發(fā)射機由定時器、脈沖調制器、大功率射頻振蕩器組成。定時器提供以 rT 為間隔的脈沖觸發(fā)信號，脈沖調制器在觸發(fā)脈沖信號激勵下經由大功率射頻振蕩器產生脈寬為τ的大功率射頻脈沖信號 [2]。 單 級振蕩 式發(fā)射 機由于其結構簡 單、成 本小、結 構和組成比較輕 便，所以得到了很大的青 睞，一般來說，只要理 論上可以 實現(xiàn)所需要的功 能，還是盡 量采用單級 振蕩 式發(fā)射機。實踐表明，在同樣的功率電平下，單級振蕩式發(fā)射機的重量只有主振放大式發(fā)射機的 1/3 左右。 主振放大式發(fā)射機 主 振放大式發(fā)射機先產生小功 率的振蕩，再分多級進行調制和放大。其工作原理如圖 10 所示： 固 體 微 波 源中 間 射 頻 功率 放 大 器輸 出 功 率 放大 器天 線脈 沖 調 制 器 脈 沖 調 制 器 脈 沖 調 制 器脈 沖 觸 發(fā) 開 關定 時 器電 源 圖 10 主振放大式發(fā)射機組成框圖 一些對雷達發(fā)射機要求更高的雷達類型，由于更高的總體性能要求，單級振蕩式發(fā)射機往往無法滿足要求，一定要用主振放大式發(fā)射機。 主振放大式發(fā)射機有如下的優(yōu)點 ： (1)頻率穩(wěn)定度高： 在雷達系統(tǒng)要求非常高的頻率穩(wěn)定度條件下 ,必須采用 m o p一個發(fā)射機。因為在單級振蕩器發(fā)射機、信號頻率決定了高功率振蕩器。由于預熱漂移、溫度漂移、振蕩管負載變化頻率牽引效應、電子頻率調諧和校準錯誤 ,漫游和其他原因 ,單級振蕩器發(fā)射機是難以實現(xiàn)高頻率精度和穩(wěn)定性 [3]。在 m o p一個發(fā)射機 ,正如前面提到的 ,載波頻率準確度和穩(wěn)定在低水平 ,很容易采取各種頻率穩(wěn)定措施。例如 ,恒溫、休克、監(jiān)管和晶體濾波器、噴射頻率穩(wěn)定和鎖相頻率穩(wěn)定措施 ,所以它可以得到很高的頻率穩(wěn)定度。 (2)可以發(fā)射相位相參 信號： 在雷達系統(tǒng)發(fā)射相位相干信號 (如脈沖多普勒雷達 ),必須采用 m o p一個發(fā)射機。所謂的相位相干信號 ,指存在一定關系的兩個信號的相位。對于單級振蕩器發(fā)射機、脈沖調制器直接控制振蕩器的工作 ,每個射頻脈沖起始射頻階段取決于噪聲的振蕩器 ,RF相位和連續(xù)的脈沖是隨機的?；蛘?,RF信號相位振蕩器輸出脈沖調制的不連貫的 [4]。所以 ,有時單級振蕩器發(fā)射機稱為非相干發(fā)射機。在 m o p 一個發(fā)射機 ,連續(xù)波信號提供的主振蕩器 ,射頻功率放大器射頻脈沖形成的控制脈沖調制器。因此 ,擁有一個固定的關系射頻脈沖連續(xù)相。主振蕩器頻率 穩(wěn)定度和射頻放大器好足夠的相位穩(wěn)定性是重要條件發(fā)射信號相位相干性好。因此 ,經常 m o p一個發(fā)射機稱為相干發(fā)射機。如果觸發(fā)脈沖通過相同的參考信號的信號傳輸、雷達系統(tǒng)、隔離電壓相干振蕩電壓和定時器 ,然后所有這些信號保持相位相干性 ,通常這樣的一個系統(tǒng)稱為相干系統(tǒng)。 (3)能產生復雜波形，如下圖