15.单脉冲天线

天线原理与设计讲稿280第十三章单脉冲天线一、引言单脉冲又称同时多波束。单脉冲体制是在圆锥扫描和顺序波束转换体制基础上发展起来的。因为波束圆锥扫描和波束转换技术对回波幅度起伏是很敏感的，跟踪误差大。而单脉冲天线是在单个脉冲上同时提供对角误差敏感所需的波束，同时比较各波束的输出，因此消除了回波幅度随时间变化的任何影响。这种技术最初称为同时多波束，后来采用单脉冲这个术语。指的是在单独一个脉冲上得到完整的角误差信号。“单脉冲天线”已成为这种跟踪天线的通用名词了。单脉冲雷达体制系统，主要用于高速目标的跟踪定位。如飞机、导弹、火箭、人造卫星的跟踪。单脉冲雷达系统中的天线称为单脉冲天线。单脉冲雷达天线要求产生一个主瓣的和波束，以及具有两个(或四个)主瓣的差波束，如下图13-1所示。差波束的两个峰值之间的最小值称为“零值”。和波束的作用是探测目标的距离(r)并进行距离跟踪；差波束的作用是探测目标的方位角和俯仰角信息(,ϕθ)并进行角跟踪。一个目标的距离信息r和角信息,ϕθ已知，则目标的空间位置就确定了。如果目标正好在和波束最大值方向，则差波束接收到的信号很弱(为零值)；当目标移动时，则差波束接收到的信号由弱变强，则可利用差信号来驱动伺服机构，使天线在俯仰或方位上转动，始终使差波束的零值方向对准目标，从而实现跟踪。图13-1单脉冲天线方向图二、单脉冲天线组成在雷达应用中，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。如果是后者，则馈源一般采用多个(4个)叭或者单口多模喇叭。形成差波束的关键是使用了比较器(和差器)。280天线原理与设计讲稿281三、分类根据比较回波信号的幅度和相位，单脉冲分为幅度单脉冲、相位单脉冲和幅相单脉冲，它们的主要区别在于天线。无论是幅度还是相位单脉冲，为了确定目标在某一平面的角度(方位、俯仰)，都要求同时产生两个形状相同的波束。这里只讨论幅度单脉冲(比幅)。四、工作原理为了说明问题，先考虑一个平面(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，如图13-2所示。图13-2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。为了进行原理分析，设比幅单脉冲天线的馈源是由四个喇叭和比较电路构成的。假如上图为俯仰面的话，另两个喇叭就构成方位面。四喇叭馈源及比较器电路如图13-3所示。图中，1，2，3，4表示四个喇叭组成的馈源。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ表示四个波导魔T，如图13-4所示，并以、、、分别表示四个喇叭接收到的回波信号幅度。1E2E3E4EE∑表示和信号，Eα+表示方位差信号，Eβ+表示俯仰差信号。根据魔T的工作特性，有：281天线原理与设计讲稿282和信号：(13.1)1234∑EEEEE=+++()方位差信号：()EEEEE=+−+()1324α+(13.2)()EEEEEβ=+−++()俯仰差信号：1234(13.3)(还有一路差信号)1324EEEE−−−为交差信号无用，该差支路信号接匹配负载吸收。图13-3幅度比较单脉冲天线的馈源和比较器图13-4魔T注：魔T（双T）的工作特性：■结构如图13-5所示。■工作特性282天线原理与设计讲稿283接收时：当同频信号、由1口和2口输入时，3口输出为两信号的和值。所以3臂称为和臂；4臂输出两信号的差值，所以称为差臂。1E2E1EE+221EE−发射时：信号由3臂输入，则1、2两臂输出等幅同相信号3E1232EEE==。此时4臂隔离，无输出。即有“对臂隔离邻臂分”之特性。图13-5魔T结构图由于馈源的每个喇叭收到的信号大小与目标的距离和方向有关。因此，它们形成的和信号称为和方向图，差信号称为差方向图。包括方位差和俯仰差方向图。和差波束的作用前面都提到了。即：差波束产生差信号，实现目标的跟踪；和波束在发射时照射目标，接收时提供目标的距离信息。并给差信号提供相位参考。单脉冲天线的分析，主要有两种方法：次级波束加减法口径场法•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。此法的优点是直观，对天线的工作原理来说物理概念明确。•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283天线原理与设计讲稿284分布，然后向空间发射三个次级波束。•主要电气指标单脉冲天线的电气参量与普通天线一样。也要用到增益、半功率波瓣宽度、副瓣电平等。但由于其工作体制的不同，还要用差波束的相对斜率、绝对斜率、分离角和零深及角灵敏度的指标。图13-6馈源的口径场分布图13-7单脉冲天线方向图•单脉冲天线系统辐射原理284天线原理与设计讲稿285五、比幅单脉冲馈源单脉冲天线的特点是同时有三个波束，一个是距离和波束和两个角度差(方位差和俯仰差)波束。与设计笔形波束的抛物面天线一样，设计单脉冲喇叭馈源的抛物面天线时，同样关心的是如何设计抛物面天线的口径场，它直接影响天线性能，包括主瓣宽度和副瓣电平、天线效率等。1.比幅单脉冲天线的和、差矛盾单独一个和波束的口径场控制方法是设计馈源的波瓣图，以获得反射面天线边缘所需的照射电平。对于同时存在和、差波束的单脉冲天线，其目的和方法也是相同的，即同时要对和、差波束馈源喇叭照射的反射面的三个波束都要获得较理想的反射面边缘照射电平(或理想的口径场分布)。这实际上存在一定难度，或存在一定矛盾。以四喇叭单脉冲馈源为例，如果顾及了和波束，使其能达到最佳边缘照射电平，而差波束不一定好，其边缘照射电平可能只有约0dB，而使约一半功率漏失掉，如图13-8所示。这就是所谓的“和、差矛盾”。所以，与设计单独一个笔形波束的反射面天线不同，设计单脉冲馈源往往是和、差矛盾的折衷选择。图13-8四喇叭单脉冲天线的照射图13-9是一种可以避免使馈源和、差辐射能量从反射面边缘泄漏的理想照射情况。这种方法只需将构成差波束的馈源喇叭尺寸比构成和波束的喇叭尺寸大致增大一倍，此时和、差波束的照射均被限制在反射面内，因而使和、差波束均实现最佳性能。图13-10是实现理想照射方法，但理想照射的馈源是无法实现的。实际中，单脉冲馈源的尺寸和激励方式，对和、差波瓣来说是各不相同的。为了使和、差波瓣都能达到最佳的特性，馈源应作专门设计。285天线原理与设计讲稿286图13-9单脉冲天线的理想照射图13-10理想馈源口径分布2.实现较佳性能的单脉冲馈源能实现较佳性能的单脉冲馈源有多种：■双喇叭双模馈源■双喇叭三模馈源■十二喇叭馈源■四喇叭三模馈源■八喇叭馈源等。作为例子，下面就双喇叭双模馈源组成的反射面天线分析其辐射特性。双喇叭双模馈源如下图13-11所示。图13-11实际的双喇叭双模馈源双喇叭双模馈源实现三种波束的口径场分布如下图13-12所示。(a)和口径场分布(b)方位差口径场分布(c)俯仰差口径场分布图13-12双喇叭双模馈源三个波束的口径场分布286天线原理与设计讲稿287■和波束方向图分析和状态下馈源的口径场为(,)()()xyhxyhxhyΣΣΣ=⋅1,2()0,xcxcbhxΣ≤≤+⎧⎪=⎨⎪⎩其他点()cos(),2yhyyyaaπΣ=≤和状态下的馈源(初级)方向图为1212212sincos()(,)(1cos)cos()()()2btatfcbtbtatθϕθπΣ′′′=++⋅−1sincostkθϕ′′=，2sinsintkθϕ′′=由上式可求出抛物面的口径场，并同时进行如下坐标变换，122extkfR=+，222eytkfR=+，22coseeffRθ′=+,22Rxy=+则次级口径的归一化场分布由下式决定1212212sincos()(,)(1cos)cos()()()2btatfxycbtbtatθπΣ′=++⋅−a坐标变换b计算次级和方向图的坐标由初级口径场分布就可得到次级方向图为(sincossinsin)(,)(,)jkxySFfxyeθϕθϕθϕ+ΣΣ=∫∫ds式中，S为主反射面圆口径面积。■方位、俯仰差波束方向图分析波导为模激励，馈源的口径场分布下图所示。其方位差口径分布为10TE(,)()()xyhxyhxhyαααΔΔΔ=⋅287天线原理与设计讲稿2881,2()0,1,2xcbxhxcxccxcbαΔ−−−⎧⎪=−−⎨⎪+⎩c−()cos()2yhyyaαπΔ=，ay≤其俯仰差口径分布为(,)()()xyhxyhxhyβββΔΔΔ=⋅1,2()0,xcxcbhxβΔ+⎧⎪=⎨⎪⎩其它点(y)sin(),yhyaβyaπΔ=≤方位差和俯仰差馈源(初级)方向图分别为1212212sincos(,)(1cos)sin()()()2btatfcbtbtatαθϕθπΔ′′′=++⋅−1212212sinsin(,)(1cos)cos()()btatfcbtbtatβθϕθπΔ′′′=++⋅−经坐标变换后(,)(,)ffxyααθϕΔΔ′′=，(,)(,)ffxyββθϕΔΔ′′=，同理可求得次级方位差方向图为(sincossinsin)(,)(,)jkxySFfxyeθϕθϕααθϕ+ΔΔ=∫∫dxdydxdy次级俯仰差方向图为(sincossinsin)(,)(,)jkxySFfxyeθϕθϕββθϕ+ΔΔ=∫∫由前面导出的和、差次级方向图公式进行了分析计算，得到了方向图。计算时取频率为36fGHz=。选择双口双模馈源口径尺寸为213amm=，23，；选取主反射面为椭圆反射面，其长半轴.2bm=mm21cmm=160Am=，短半轴为65Bmm=；等效焦距80efmm=。288天线原理与设计讲稿289归一化馈源和方向图归一化次级场和方向图归一化馈源方位差方向图289天线原理与设计讲稿290归一化次级场方位差方向图归一化馈源俯仰差方向图归一化次级场俯仰差方向图290天线原理与设计讲稿2913.单脉冲天线特性参数由馈源的口径和分布、方位差分布、俯仰差分布以及天线的次级和方向图函数(,)hxy∑(,)hxyαΔ(,)hxyβΔ(,)Fθϕ∑、次级方位差方向图函数(,)FαθϕΔ、次级俯仰差方向图函数(,)FβθϕΔ，可以计算单脉冲天线的部分辐射特性。■次级和增益系数2220|(0,0)|(,)FRhxydxdyηπ∑∑∞∑−∞=∫∫■次级方位差增益系数o2max220|(,90)|(,)FRhxydxdyαααθηπΔΔ∞Δ−∞=∫∫■次级方位差相对斜率o0omax(,90)||(,90)|dFdFαθαθθαθΔ=ΔΔ=■次级方位角灵敏度Sααηηα∑Δ=Δ■次级俯仰差增益系数o2max220|(,0)|(,)FRhxydxdyβββθηπΔΔ∞Δ−∞=∫∫■次级俯仰差相对斜率o0omax(,0)||(,0)|dFdFβθβθθβθΔ=ΔΔ=■次级俯仰角灵敏度Sββηηβ∑Δ=Δ式中，0R为反射面口径半径。对几种典型单脉冲馈源，可计算其天线的如上辐射特性，列于下表。291天线原理与设计讲稿292292