第三章-雷达天线及伺服系统

气象雷达原理与系统电子工程学院大气探测学院主讲：何建新第三章雷达天线及伺服系统天线作用:是自由空间传播和导行波（传输线）传播之间的换能器。发射（辐射）:把高频交流电转换成空间传播的电磁波（能量集中到所要求方向的赋形波束内）。接收:辐射的反过程，将空间传播的电磁波转换成高频交流电，并通过传输线（馈线）输送给接收机。传输线（馈线）：传输微波能量或信息的装置3.1天线的定义及作用天线：辐射或接收无线电波的装置3.2天线的分类•按工作性质：•发射天线；接收天线•按波长：•长波天线；中波天线；短波天线；微波天线等•按天线原理：•线天线；面天线•按波束扫描：•机械扫描；电扫描（相控阵天线）方向性天线—线天线偶极子天线口径抛物面天线口径透镜天线喇叭天线口径由图可见，这类天线都是通过一个平面口径向外辐射电磁能量，因此，这类天线称为面天线。面天线喇叭天线感性认识--几种天线实物微带天线•反射面天线（通信）•反射面天线（雷达）相控天线3.3雷达天线的基本参量（特性）•辐射方向图（包括波束宽度、副瓣电平）•增益（有效孔径）•阻抗（电压驻波比VSWR）•其他：极化、带宽、扫描方式3.3.1辐射方向图抛物面反射器天线辐射方向图下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图。方向图中辐射最强的方向称为主射方向，辐射为零的方向称为零射方向。具有主射方向的方向叶称为主瓣，其余称为副瓣。为了定量地描述主瓣的宽窄程度，通常定义：场强为主射方向上场强振幅的倍的两个方向之间的夹角称为半功率角，以表示；两个零射方向之间的夹角称为零功率角，以表示。215.02θ02θ2θ0主射方向主瓣后叶副瓣零射方向零射方向12θ0.52121xzy不同天线波束宽度的作用天线的基本定理--互易性•在一定的条件下（实际上这些条件在雷达中常能满足），天线的发射方向图和接收方向图是一样的•发射天线和接收天线之间的唯一区别是发射天线必须能承受较大的功率当有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时，无向天线所需的辐射功率与有向天线的辐射功率之比值0rPrP•方向性增益(方向性系数):衡量天线把能量集中到某一特定方向的能力参数平均辐射强度最大辐射强度=DG辐射强度是指：在方向上每单位立体角内的辐射功率。用表示),(φθ),(φθP3.3.2增益、方向性系数、有效孔径在这个房间，光线被灯罩集中照射在一处在这个房间，光线均匀得照射在墙壁上B图集中灯光强度与A图均匀照射在墙壁的灯光强度的比值为天线系统增益天线增益最大辐射强度平均辐射强度示意图解()()天线总辐射功率单位立体角最大辐射功率天线总辐射功率单位立体角最大辐射功率/44/Gππ==D方向性增益(方向性系数)的计算3.3.3辐射效率因子（1）•在雷达方程中应使用功率增益，因为它包括了由天线引入的损耗。方向性增益总是大于功率增益•功率增益和方向性增益可以用辐射效率因子ρT（1）联系起来，其关系如下式所示：DTGGρ=任何实际使用的天线均具有一定的损耗，天线获得的输入功率，只有其中一部分功率向空间辐射，另一部分被天线自身消耗。因此，实际天线的输入功率大于辐射功率。天线的辐射功率Pr与输入功率PA之比称为天线的效率，以η表示，即rATPPηρ==辐射效率因子（2）天线增益与波瓣宽度之间的关系决定于口径上的电流分布。“典型”的反射器天线有时可使用粗略的经验公式：分别是波瓣宽度BBBBGφθφθ,,000,20≈方向性增益和功率增益的定义都使用了最大辐射强度。因此，这样定义的增益描述了辐射能量的最大集中程度。两个增益都是角度函数。天线增益与波瓣宽度之间的关系•天线对入射波所呈现的有效面积的量度。增益G和有效面积Ae之间有如下关系：2244λπρλπAAGee==λ＝波长；A＝天线的实际面积；ρe＝天线的口径效率3.3.4有效孔径（口径）3.3.5天线的阻抗•天线输入阻抗：Zm=Rm+j*Xm，•实部：电阻，功率损耗•虚部：阻抗，储存功率•天线的输入阻抗与发射机的内阻匹配时，可得到最大输出功率；同理，接收时，接收机可从天线获得最大输出。•不匹配的表示：驻波比，全称为电压驻波比VSWR（VoltageStandingWaveRatio）•极化方向定义为电场矢量的方向3.3.6极化3.3.7口径阻挡•在天线前方的障碍物可能改变口径照射及辐射方向图。称为口径阻挡或口径遮蔽(Shadowing)。•一个重要的例子是在反射器型天线中由馈源及其支持物引起的阻挡。•由于口径阻挡降低了增益，增加了副瓣，填充了零点，因此降低了天线的性能。•口径阻挡的影响，可以用在无阻挡的口径的天线方向图中减去由障碍物所产生的天线方向图的方法来近似。3.3.8几种种形式的天线介绍•线天线•面天线•裂缝天线•相控阵天线一、线天线•几乎任何形状的线均具有天线作用•例如：•简单的有对称振子、折合振子•复杂的有八木天线、对数周期天线实例：•单极子天线实例实例：八木天线实例：（Yagi-Udaantenna）•由一个有源振子(一般用折合振子)、一个无源反射器和若干个无源引向器平行排列而成的端射式天线（见图）。•这种天线因日本人八木秀次和宇田新太郎于1926年最先提出而得名，也称为八木天线实例：对数周期天线LogarithmicPeriodicalAntennaeLogarithmicPeriodicalAntennae•Alog-periodicantennaisabroadbandnarrow-beamantennathathasimpedanceandradiationcharacteristicsthatareregularlyrepetitiveasalogarithmicfunctionoftheexcitationfrequency.Logperiodicantennasarearraysandconsistofasystemoffedelementswhichareconnectedbyacrosseddoublelinewitheachother.Inthetransmittingcase,atfirstthewavespreadsherselfpracticallyradiationlesslyonthepathogeneline.Theattachedandontheactualwavelengthobtainedfartooshortdipolesworkmerelyascapacitiveloading.Onlyifthedipolescomeintherangeofathirdofthewavelength,theirradiationstartsandseveraldipolesfollowingeachotheraretheninvolvedinthisone.Thisradiationactivezoneislimitedbythedipolewhichapproximatelycorrespondstothehalfofthewavelength.二、面天线•旋转抛物面天线•卡塞洛伦（Cassegrain）天线旋转抛物面天线是在通信、雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线,它是由两部分组成的,其一：抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面,反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成;其二：置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面,而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反射出去,从而获得很强的方向性。1、旋转抛物面天线ParabolicAntennae抛物面天线的参数选择2、TheCassegrainAntennaTheCassegrainAntenna•Advantages•Thefeedradiatorismoreeasilysupportedandtheantennaisgeometricallycompact.•Itprovidesminimumlossesasthereceivercanbemounteddirectlynearthehorn.•Disadvantage:•ThesubreflectorofaCassegraintypeantennaarefixedbybars.Thesebarsandthesecondaryreflectorconstituteanobstructionfortherayscomingfromtheprimaryreflectorinthemosteffectivedirection3、Fan-BeamAntenna3.4抛物面的馈源•理想的抛物面馈源是一个点源，它的方向图应能得到所需的口径分布。在抛物面中，要求由馈源发出的辐射，其相位不随角度而变。馈源的辐射方向图称作初级方向图；当用此馈源照射时，口径的辐射方向图称作次级方向图。最佳馈源照射角度•为了在口径上获得比较均匀的照射，天线的焦距—直径比必须较大。•这时，馈源辐射能量的一部分没有被抛物面截获而损失掉。损失掉的“溢出”能量使总效率降低，以致达不到均匀照射的目的（使口径效率最高）。•另一方面，如果在焦点处所对的抛物面张角很大，反射器截获的馈源辐射能量将较多，溢出较少，效率较高。但这时口径照射将更加锥变，口径效率将降低。•因此，必然存在着一个角度，在这个角度上，这两种互相矛盾的效应得到折中，效率最高。馈源的支持偏馈偏馈抛物面天线，既不产生口径阻挡，也不会引起馈源失配。馈源的中心位于抛物面的焦点上，但喇叭相对于抛物面轴线却是倾斜的。抛物面下半部的大部分去掉了，剩下的部分如图2.3.8中的实线所示。从实用出发，馈源位于反射能量的路径之外，因此既不存在由于口径阻挡所引起的方向图变坏，也不存在由于馈源截获一定能量所产生的阻抗失配。3.5波导裂缝天线巴俾涅（Babinet）原理分析。3.6相控阵天线相控阵天线•控制天线阵中各辐射单元的馈电相位实现波束在空间扫描•无惯性的电扫描天线•优点：•高增益、大功率、多波束、可靠性好•缺点：•造价高、扫描范围有限相控阵天线•分类：•无源相控阵天线•有源相控阵天线•高信噪比PhaseArrayAntennaPhaseArrayAntenna-PhaseShifter天线部分小结：•基本参数（方向图、增益、主副瓣、等）•线天线、面天线•波导裂缝天线•相控阵天线•发展方向：•宽频带•有源相控阵•超低副瓣电平3.7馈线系统•馈线是配电网中的一个术语，它可以指与任意配网节点相连接的支路，可以是馈入支路，也可以是馈出支路。但因为配电网的典型拓扑是辐射型，所以大多馈线中的能量流动是单向的。但为提高供电可靠性，配网结构变化很复杂，功率的传输也并非绝对是一个方向。所以粗略地说，配电网中的支路都可称之为馈线。发射机、接收机与天线间的传输线3.7馈线系统•方位及俯仰旋转关节：在雷达馈线系统中使馈线固定部分和转动部分在电气上连接起来，以保证微波功率顺利的传输，在机械上又能自由的旋转，从而保证了雷达完成方位和仰角扫描。旋转关节•环形器功能是：当发射机工作时，使发射机产生的大功率高频脉冲能量只送往天线，不送往接收机；由天线接收到的回波信号，只送往接收机，不送往发射机。•其结构形式如图2.3.22所示。图中：1-激励器、2-差相移式环行器、3-TRL保护放电管、4-波导负载。图2.3.22差相移式天线环行器天线收发开关环行器图2.3-23环形器实物环行器原理及示意图某雷达雷达天线馈线分系统组成示意图•地面雷达的天线经常处于大风、结冰、及（或）极端的温度条件等环境中。如果要它们在不良的气候条件下不被破坏或进行工作，必须加以屏蔽。•通常把它密封在一个称作雷达天线罩的保护结构中。3.8雷达天线罩合理设计的雷达天线罩，应使其天线方向图的畸变尽可能小。雷达天线罩可能改变天线增益、波瓣宽度、副瓣电平、视线方向（波束指向）、以及电压驻波比和天线噪声温度等学校雷达天线罩学校雷达天线罩及机房布局•伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量跟随输入目标(或给定值)任意变化的自动控制系统•雷达天