相控阵雷达系统的设计与分析2

第三章 天线阵列设计
雷达波形和信号的时间宽度通常与雷达的距离分辨率和速度分辨率相关，而雷达分辨率除了包括距离分辨率和速度分辨率，还包括角度分辨率，角度分辨率，亦称为横向距离分辨率。

距离和速度分辨率由雷达信号的模糊函数确定。

由模糊函数理论可知，信号的距离测量精度和分辨率取决于信号的频率结构，为了提高距离分辨率，信号必须有大的持续带宽，距离分辨率与信号带宽的关系满足下式
B
c R 2△= △R 为距离分辨率，c 为光速，B 为信号持续带宽。

所以现代雷达几乎都要求大带宽甚至超宽带工作能力。

速度测量精度和速度分辨率同样由模糊函数可知，它取决于信号的时域结构，即速度分辨率越高，要求信号具有大的持续时宽，二者关系由下式确定
C
T f c v 02△= v △为速度分辨率，0f 为载波频率，c T 为信号持续时宽。

高性能雷达中常常使用大时宽带宽积的雷达信号以获得多方面的优越性能，所以普通相控阵列雷达将受到限制。

而光控相控阵雷达由于采用光真实延时技术能够在大的瞬时信号带宽下工作，故在现代相控阵雷达中，它将更加值得重视和深入研究。

而角度分辨率取决于天线波束的宽度，其表达式为
R L
0λδ= δ表示角度分辨率，0λ为载波波长，R 为斜距，L 为天线孔径。

为了提高角度分辨率，可以采用更短的波长，以及使天线孔径更大，更为实用和先进的改进角分辨能力的方法是采用具有超分辨处理能力的阵列技术，故相控阵列雷达具备了这方面的优势。

阵列天线有一个由大量相同辐射单元（例如裂缝或偶极子）组成的孔径，每个单元在相位和幅度上是独立控制的。

能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。

由此处给出并将在以后还要详细讨论的一些简单公式，很容易得到一般平面阵的特性。

按间距λ/2排列单元（λ为波长）以避免产生被称为栅瓣的多个波束。

对笔形波束而言，辐射单元个数N 与波束宽度的关系为
2
)(000 10B N θ≈ 或
N B 100
=θ
式中，θB 是以度为单位的3 dB 波束宽度。

当波束指向孔径法线方向时，相应的天线增益为
a L N N G ηηηπ≈π≈0
式中，η计入由天线损耗ηL 和由于单元不等加权带来的幅度分布不均匀而产生的增益下降ηa 。

当扫描到角度θ0时，平面阵列增益减少到与投影孔径相对应的值：
00cos )(θηθN G π≈
同样，扫描波束宽度由法线波束宽度增加到（端射θ0=90︒附近除外）
0cos /)()(θθθ法线扫描B B ≈
填满全空间的波束总数M （波束宽度为法线波束宽度且半功率点重叠）近似地等于增益，当η≈1，它与N 的简单关系为
N M π≈
在波束宽度随扫描角度变化的平面阵列中，实际上能够产生并填满全空间的波束数为
N M )2/(π≈'
由于宽带工作需要的是等路径长度而不是等相位，所以用以2π为周期的移相扫描时，单元并联馈电的天线阵列其带宽将受到限制（参见7.8节）。

其极限如下式所示：
)((%) 波束宽度带宽≈
这等效于带宽极限由下式给出：
孔径尺寸脉冲宽度⨯=2
用上述标准，当频率在带宽内改变时，扫描的辐射方向图将被控偏移±1/4的60︒处的波束宽度。

如果带宽范围内的所有频率均等加权使用，那么带宽允许增加一倍（脉冲宽度减半）。

当扫描角为θ 0 时，波束随频率的改变而扫描△θ 角度，即
)rad (tan 0θδδθ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈f f
对于较宽的带宽，必须引入时间延迟网络以补偿移相器。

综上所述雷达天线参数：
频带宽度等于30兆赫兹（30MHz ）
角度分辨率δ等于o
1
载波波长0λ等于0.3m
雷达系统本身是一个大型的复杂系统，从信号角度来讲，雷达的性能与其任何部分特性指标息息相关，因为任何部分都会对发射与接收的信号在频域和时域产生影响。

信号被发射或接收经过天线时，天线将使信号产生失真，特别是阵列天线仍然可以看作一个存在某种频率响应特性的滤波器，只是它的频响特性会随着阵列的方向矢量改变而不同;同时，不同目标也存在不同的频率响应特性，不同的雷达工作环境引起的回波杂波特性也不同，所以，研究雷达目标回波特性与杂波建模分析十分重要。

在多功能相控阵雷达系统中，由于天线波束在较大空域内扫描以及对付多个或多种目标，所以相控阵雷达系统中，信号、天线、目标和环境相互作用观在实际的相控阵雷达系统设计时尤为重要。