HotZ-雷达系统(第五章)相控阵雷达

第五章相控阵雷达2020/3/1015.1相控阵雷达概述5.2基本工作原理与组成框图5.3相位扫描系统组成与工作原理相控阵雷达概述2020/3/102相控阵-——相位控制阵列，属于电扫描雷达②波束扫描：电扫描，利用辐射单元相位变化实现控制①天线由许多辐射单元按某一规则排列组成（正方阵，△阵等），辐射单元则几十、百，多则上万。两种基本形式：线阵列和面阵列相控阵雷达概述2020/3/103②波束扫描：电扫描，利用辐射单元相位变化实现控制相位控制实现：每个辐射单元后接一移相器，改变各辐射单元的相对相位，从而改变了阵列面的电磁波等相位面，实现波束扫描。为阵列面为等相位面MN'MN基本概念2020/3/104固态技术信号处理技术光电子技术以及器件、材料、结构和工艺的发展③具有远距、高精度、高数据率、高分辨率、多目标跟踪能力④它是集三十年雷达技术、自动控制技术、计算机技术的综合应用成果。第五章相控阵雷达2020/3/1054.1相控阵雷达概述4.2基本工作原理与组成框图4.3相位扫描系统组成与工作原理相位扫描原理个阵元的线性阵列2020/3/106N辐射单元间距为da.各辐射单元均以等幅，无方向性辐射b.零号单元为相位基准()，其余相位依次递增0相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/107N1100()NNjkjkknnEEeEe为各辐射单元在远区该点的场强，为等幅，无方向性辐射kE①无差异，kE121...NEEEE②相邻单元波程差引入的相位差R22sinRd为辐射方向与阵列法线的夹角相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/108N1100()NNjkjkknnEEeEe2sind将代入根据等比级数求和公式和欧拉公式，得：1()1jNjeEEe222222()()NNNjjjjjjeeeEeee12sin()2sin()2NjNEe相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/109N()E场强值为：sin(sin)sin(/2)()sin(/2)sin(sin)NdNEEEd0max0()ENE相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/1010N()E场强值为：sin(sin)sin(/2)()sin(/2)sin(sin)NdNEEEd0max0()ENE相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/1011N阵列的归一化方向函数：maxsin(sin)()()()sin(sin)aNdEFENd若各阵元不是无方向性的，且辐射方向图为，则阵列方向图变为：()eF()()()eaFFF元因子阵因子相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/1012N讨论：sin(sin)()sin(sin)aNdFdNa.当(为整数)时：sinNdnnb.当(为整数)时：sindnn()aF的分子为零()aF的分子和分母均零sin/nd当(为整数)时，n()aF为最大值相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/1013N主瓣和栅瓣：sin/nd当(为整数)时，n()aF为最大值0()1F方向图的主瓣当方向图的栅瓣当n()1Fn1sin()GLnd相位扫描原理与波束宽度2020/3/1014N天线方向图的关键参数：半功率波瓣宽度和旁瓣电平当很小时，sin()max()()()EFEsin()sin()NdNdsin()NdNd辛格函数在半功率点波束宽度，0.50.5()0.707F查辛格函数表0.50.886Nd0.50.886(rad)Nd0.5相位扫描原理元线阵在方向远区某点的辐射场的矢量和2020/3/1015N天线方向图的关键参数：半功率波瓣宽度和旁瓣电平oo0.50.886(rad)50.8()NdNd通常2d0.5100N要产生的波束，需要o0.51100N相位扫描原理2020/3/1016若水平，垂直平面均用阵列天线面阵列1100n，1n为水平方向阵元数，为水平波束宽度2100n，2n为垂直方向阵元数，为垂直波束宽度面阵波束立体角NV225.0100，N为面阵总单元数N1005.0，即1°立体波束，阵元数需10000个。相位扫描原理2020/3/1017波束扫描对5.0影响（一维直线阵为例）a.当各辐射单元移相0，阵列面MN即为同相面阵列面法线向获得最大辐射b.当各阵元移相器依次移相，此时同相面由MN转至'MN,同相面与阵列面夹角为最大辐射方向在MN法线方向，与阵列面法向夹角为★移相器控制相移使同相面'MN转动实现波束扫描（波束移X）相位扫描原理2020/3/1018此时远场某点场强：1()0()NjkkEEe，移相器引入，波程差R引入波束在0方向的方向图函数00sin(sinsin)()sin(sinsin)NdFdN令02()sind移相器引入的相移抵消了波程差引入的相位差在偏角法线0角上获得同相面当0时，()1F主瓣（方向由决定）0(sinsin),()1mFd栅瓣相位扫描原理2020/3/1019为了避免测角多值性，应该避免栅瓣出现0|sinsin|d000|sinsin||sin||sin|1|sin|011|sin()|d保证无栅瓣限定扫面范围：0000max9090|sin|1max122dd当0在0060,45扫描，为了保证单值条件，d可略大于12，达0.53,0,5相位扫描原理2020/3/1020c．扫描角0对于探测性能影响方向图关系式：0000sin[(sinsin)]sin[(sinsin)]()sin[(sinsin)](sinsin)NNddFNdNd当0较小时，泰勒级数展开0sinsin取前两项：000sinsin()cos0000sin[cos()]()()cos()NdFFNd仍是辛格函数波束扫描对5.0影响（一维直线阵为例）相位扫描原理2020/3/1021波束扫描对5.0影响（一维直线阵为例）由()0.707F，求半功率波束宽度：000.50.5000cos()0.8860.8860.8861coscoscossNdNdNd00.50时，半功率波束宽度0.5s波束扫描至0时，半功率波束宽度00.5s波束展宽当000.50.5602s相位扫描原理2020/3/1022波束扫描对5.0影响（一维直线阵为例）另外，0天线增益①设0=0，最大辐射方向为阵列面法向；天线有效辐射面积，20SNaNd（a：每个单元面积）天线增益2002244SNdG②当波束扫至0（偏离法线0）天线有效辐射面积=天线口径在扫描方向垂直面投影2000.coscososSSNd天线增益20002244coscosososSNdGG当0060时，012osGG对面阵，当00001604osGG相位扫描原理2020/3/1023波束扫描对5.0影响（一维直线阵为例）★结论：扫描角0波束宽度0.5s，天线增益osG雷达探测力，分辨力必须限制天线的扫面范围，0060（常为0030,45）要覆盖半个球面，至少须三部RD实现。为什么要限定相控阵雷达的扫描范围？相位扫描原理2020/3/10243.相控阵RD缺点与改进办法：天线阵元等间距d，等幅发射条件()F位辛格函数（辛格函数第一旁瓣过高（-13.2dB）,不利于抗干扰）压低旁瓣方法加权a．振幅加权：各阵元振幅大小不等，中间功率大，四周小的辐射强度（加权函数泰勒分布）；b．密度加权：阵元按疏密程度排列，中间密，周围疏（有增益损失，波瓣宽度基本一致（由阵列尺寸决定）相控阵雷达组成框图2020/3/1025★共用一个或多个发射机、接收机相控阵RD框图程序输入指示信号发射波束形成网络相控阵天线接收波束形成网络记录器发射机波束指向控制器接收机中心计算机数据处理监控设备显示器故障提示发射、接收也可表示多部发射、接收机相位扫描系统相控阵雷达相位扫描系统包括：天线阵、移相器、波束指向控制器（波控器）、多波束形成网络。2020/3/1026天线阵①结构：平面阵列利于波束指向的配相计算与控制正方形，三角形，六角形，随机阵列辐射单元半波振子，喇叭口，缝隙振子，螺旋天线等。2020/3/1027相控阵雷达相位扫描系统包括：天线阵、移相器、波束指向控制器（波控器）、多波束形成网络。相位扫描系统天线阵②馈电方式：功率源到辐射单元间采用一定数量的微波耦合元件及传输馈线串馈强制馈电：并馈光学馈电利用光学原理2020/3/10281.强制馈电：A.串馈移相后耦合要求移相器耐大功率空间耦合器：调节耦合度，实现辐射功率强度控制利于幅度加权控制压低旁瓣Ψd…源空间耦合匹配负载辐射移相耦合传输源①…辐射移相耦合传输源移相耦合2020/3/1029b.并馈源能量（发射机）以均分法将功率平局馈至各辐射单元各辐射单元移相器承受功率小，易获得良好的方向图及扫描特性…馈入2020/3/10302.光学馈电：透镜式，反射镜式a.透镜式馈电系统结构：前后二个辐射器，中间一个移相器组成:形成两个阵列一个阵列接收电磁波，移相后由另一个阵列发射电磁波控制移相器相移量，形成波束扫描。馈源：和差馈源和通道，为发射通道，为差通道，为接收目标方位差，低角差信号通道……2020/3/1031b.反射式馈电系统结构：阵列、反射平板、移相器阵列器接收来自馈源的电磁波，移相，传输板，反射，再经移相器移相，从阵列发射，并汇聚成窄波束特点：透镜、反射镜都是平面，而馈源辐射球面波，所以电磁波到达各阵元有球面方向差，将引入相对相移，选成扫描角误差，必须加以修正2020/3/1032克服办法：①结构修正，辐射阵元按中密边疏排列，减少径差②移相修正：计算机控制指向四周移相器，以抵消径差引入的相移光学馈电系统具有移相器，阵列面，简单易行的特点，且不影响雷达结构可用于雷达改造使用。移相器2020/3/1033作用：对电磁波实现相位控制，使波束按规则扫描要求：①移相精度高，②性能稳定，③频带宽，④接收损耗小，⑤功率量足够，⑥激励功率小齐开关时间短器件：①PIN二极管移相器②铁氧体移相器工作方式：①连续式，相移连续可变②数字式，相移跳变，另与波控器配合使用，性能稳定（常用）移相器2020/3/1034控制Di通断，改变电磁波短路式长度，达到不同的相移量2iLi例：11L22L2L33L44LD1D2DNL1L2L3移相器2020/3/1035铁氧体移相器：应用磁性元件--铁氧体结构：四个截面相同，长度不同的铁氧体，相互间隔以介质，沿波导纵向放置，没跟铁氧体中心穿一根导线，激励电流，导线从波导壁引出（称磁化导线），铁氧体两头竖起，起匹配作用，避免反射。工作原理：若磁化导线加入一幅度足够的脉冲电流，使铁氧体磁化并达到饱和状态，当电流出去，铁氧体