雷达天线

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雷达 用来辐射和接收 电磁波 并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向;而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波,同时分辨出目标的方位和仰角,或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标(方位、仰角和距离)中,有两个坐标(方位和仰角)的测量与 天线 的性能直接有关。因此,天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。

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 多基地雷达连续波雷达 ),其发射天线和接收天线是分开的。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

技术

波束圆锥扫描技术

在圆口径的抛物面天线(见反射面天线)上,使 馈源 侧向偏离焦点,形成一个与瞄准轴成一定角度的波束。然后,将馈源连续旋转,在空间形成圆锥形波束。当目标在瞄准轴上时,所有回波 脉冲 幅度相同,无误差信号。当目标偏离瞄准轴时,回波脉冲幅度产生起伏变化,形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号。交流误差信号的大小决定于目标偏离瞄准轴的角度;交流误差信号的相位则决定于目标偏离瞄准轴的方向。

单脉冲差波束技术

用两个形状相同、指向不同却又部分重叠的锐波束同时接收目标回波信号时,根据二波束收到的回波信号幅度差别可判别目标偏离瞄准轴的方向与大小。这种方法在原理上能根据单次发射产生的回波信号判定目标偏离瞄准轴的方向和大小,故称为单脉冲技术。为了避免两路接收通道不一致引起误差,可在 馈电 网络中把上述二波束合成另外两个波束,即和波束及差波束。为了同时确定目标方位和仰角偏差,50年代初把四喇叭馈源置于抛物面焦点上,形成方位面内和仰角面内的差波束及公共的和波束,后来又研制出五喇叭、十二喇叭和其他多模馈源。

V形波束测高体制

这是40年代末出现的一种测高体制。用两部天线分别产生常规直立的和倾斜45°的两个余割平方波束。两天线同时旋转时,不同高度的飞机被两波束扫过的时间差不同,从而可获得目标高度信息。50年代末又出现两个反射体并成一体的V形波束测高雷达。但是,这种体制在仰角面上无分辨力,而且时间差与目标速度和方向有关,后来未断续发展。

三坐标雷达天线

在雷达天线连续旋转测量目标方位的同时,还能获得空中目标仰角全部信息的雷达,称为 三坐标雷达 。这种雷达的天线有多种波束体制。

相控阵雷达天线

这种天线是固定不动的。由阵列中每一有源阵元所连接的 移相器 按照两维扫描所需的相移指令来移相,则波束可在一定的立体角内灵活扫描。 相控阵天线 的阵面多排列成圆形,以保持各向扫描特性的一致性并得到较低的副瓣。相控阵阵元数量极大,为降低造价可采用疏稀技术,使有源单元数目减少到几分之一。对 相控阵 可用 馈线 进行组合馈电,也可采用空间馈电(或称 光学 馈电)。空间馈电又分为透射式和反射式两类。

中文名
外文名
学科
通信、物理
坐标
方位、仰角和距离
作用
辐射和接收电磁波
主要参量
方向图、增益和有效面积