相控阵天线的基础理论
相控阵复习资料
相控阵复习资料相控阵（Phased Array）是一种先进的无线通信技术，广泛应用于雷达、卫星通信、无线电导航等领域。
相控阵通过控制多个天线单元的相位和振幅，实现波束的形成和方向的调节，从而提高通信质量和系统性能。
本文将为读者介绍相控阵的原理、应用和未来发展趋势。
一、相控阵的原理相控阵的原理基于波的干涉和叠加效应。
相控阵系统由多个天线单元组成，每个天线单元可以独立调节发射或接收信号的相位和振幅。
当多个天线单元发射或接收信号时，这些信号会相互干涉和叠加，形成一个合成的波束。
通过调节每个天线单元的相位和振幅，可以控制波束的方向和形状，实现对目标的定向和跟踪。
相控阵的优势在于其灵活性和可控性。
相比传统的固定波束系统，相控阵可以根据需要实时调整波束的方向和形状，适应不同的通信环境和目标要求。
此外，相控阵还可以通过波束赋形技术实现对目标的抑制和干扰消除，提高通信的可靠性和抗干扰性。
二、相控阵的应用相控阵技术在雷达领域有着广泛的应用。
传统雷达系统通常采用机械扫描方式，通过旋转天线实现对目标的扫描和探测。
相控阵雷达则可以通过电子扫描方式实现快速、精确的目标搜索和跟踪。
相控阵雷达还可以通过多波束技术实现对多个目标的同时探测和跟踪，提高雷达系统的效率和性能。
此外，相控阵技术还被广泛应用于卫星通信和无线电导航领域。
相控阵天线可以实现高速、高带宽的数据传输，提供更稳定和可靠的通信连接。
在无线电导航中，相控阵天线可以实现对信号的精确定向和定位，提高导航系统的准确性和可用性。
三、相控阵的未来发展趋势随着通信技术的不断发展和需求的不断增长，相控阵技术也在不断演进和创新。
未来，相控阵有望在以下几个方面得到进一步的应用和发展。
首先，相控阵技术将进一步提高通信系统的容量和速率。
通过增加天线单元的数量和密度，相控阵可以实现更高的信号处理能力和数据传输速率，满足日益增长的通信需求。
其次，相控阵将更加智能化和自适应。
随着人工智能和机器学习的发展，相控阵系统可以通过学习和优化算法，自动调整波束的形状和方向，提供更好的通信性能和用户体验。
相控阵天线的工作原理
相控阵天线的工作原理
相控阵天线是一种多发射天线系统，它的工作原理主要基于电磁
耦合技术。
它由一组相对摆放的馈电元件组成，以提供垂直绝对相位
矢量和方位控制。
每个元件都是独立经过阻抗匹配并且与一个发射机
连接，互相之间还有耦合关系，使得各个元件之间的电流、电压和磁
场都具备绝对相移，以实现垂直波束的定向性。
由于元件的耦合关系，垂直波束的指向性可以在一定范围内随阵列绕轴的旋转而变化，也就
是所谓的主动扫描功能。
相控阵天线的关键性的优点就是具有一个超
窄的垂直波束宽度，这有助于穿越集中环境，避免受到外部干扰。
相控阵天线原理
相控阵天线原理
相控阵天线原理
相控阵天线技术是一种可以通过通过对天线发射或接收的信号进行相
位调控，能够达到更好的信号锁定和定向的技术。
其实现原理主要分
为三个步骤：信号产生、信号整合和信号调节。
1. 信号产生
在相控阵天线中，每一个天线单元都是由一个发射/接收单元和一个相
位调制器组成的。
在信号产生时，我们需要将一份源信号通过参数调节，使其与原始信号保持一定程度的偏离，从而生成一个调制信号。
这个调制信号的特点是，可以通过波长长短和相位切换来控制。
2. 信号整合
在信号整合阶段，所有的调制信号在一定位置聚在一起。
实现这种聚
合需要使用一个铁氧体设计的调制器，并且相互之间需要存在一定的
距离。
这样在整合后，就可以得到一系列调制精度更高的信号。
3. 信号调节
在信号调节阶段，一次性准备好的调制信号通过传递控制的向量矩阵，被转移到相应的单元组中，而向量矩阵则可以通过算法来实现。
之后，对于每个单元组中的各个成员单元，通过按照预定好的码值一个个调
整相位值，最终可以实现一个快速的信号聚合。
相控阵天线技术的出现，为电信领域带来了一场革命。
相比于传统的天线，这种新技术可以帮助我们在收发信号时，获得更好的灵活性和自由度。
同时，这种技术也被广泛应用于空间通信方面。
相信随着技术的不断进步，这种技术将带领我们进入更未知的领域。
相控阵天线技术的应用及未来发展趋势
相控阵天线技术的应用及未来发展趋势无线通信技术是现代化社会的重要基础设施之一。
而天线作为无线通信的关键组件，具有决定性的影响。
一种新型的天线技术——相控阵天线技术，近年来受到越来越多的关注。
相控阵天线技术通过电子调节单元阵列，能够控制无线信号的发射和接收方向，实现空间波束形成。
本文将简要介绍相控阵天线技术的基本原理及其在各个领域的应用，并对未来发展趋势进行探讨。
一、相控阵技术的基本原理相控阵技术是基于线性阵列的理论基础，其核心思想是通过电调单元阵列控制波束方向和波前形状。
通过调整电器单元的相位、振幅和极化状态，从而实现波束形成，控制波向。
相控阵技术主要包括以下两个方面的工作：（1）阵列设计：通过制造适当指定大小阵列，并将其分成相等部分阵列，聚焦调制适当的电流、智能电磁波发射器、电磁波接受器，实现阵列辐射成若干区域的强信号，从而实现波束形成。
（2）相位控制：相控阵技术通过电路调节不同元件的相位，保证不同元件形成的波前合成为期望的波前。
具体方法为：在所有基本元件间安装数字相移器，对于信号到达每一个元件的时间，通过计算求解出需要对元件设置的相位差，以实现相位的调节，最终实现波束的控制。
二、相控阵技术的应用相控阵技术具有广泛的应用领域。
下面将简要介绍其在军事、民用通信和雷达系统等各个领域的应用。
1、军事相控阵技术已经广泛应用于军事领域中的雷达系统。
在军事应用领域中具有极为重要的意义。
相控阵雷达具有精准的定位和目标跟踪等优势，可以有效地识别和追踪敌人。
在海上防御领域中，相控阵技术可以用于发现敌方舰队的位置以及船舶编队等信息的探测。
2、民用通信相控阵天线技术在民用通信领域也有着广泛的应用。
无线通信是现代社会的重要组成部分，相控阵技术可以提高通信信号的传输质量，减少信息的暴露。
同时，相控阵技术可以大大提高通信网络的容量，使得更多的人能够享受到高品质的通信服务。
例如，在车载通信系统中，通过使用相控阵天线技术，可以有效提升车辆之间的通信效率和通信质量。
相控阵天线
相控阵形式
相控阵形式相控阵（Phased Array）是一种利用多个天线元件组成的阵列天线，通过控制每个天线元件的相位来实现波束的方向图变化。
相控阵技术在雷达、通信、无线电等领域具有广泛的应用前景。
本文将对相控阵的基本概念、原理、分类以及应用领域进行详细介绍。
一、相控阵的基本概念相控阵是一种由多个天线元件组成的阵列天线，通过对每个天线元件的相位进行独立控制，实现对波束方向图的动态调整。
相控阵的核心思想是将传统的机械扫描方式改为电子扫描方式，从而提高天线的性能和灵活性。
二、相控阵的原理相控阵的工作原理是通过改变阵列中每个天线元件的相位，使得阵列波束在一个平面内实现动态扫描。
当所有天线元件的相位相同时，阵列波束最大；当相邻天线元件的相位差为180度时，阵列波束为零；当相邻天线元件的相位差为任意值时，阵列波束将沿着相位差的方向逐渐减小。
通过改变每个天线元件的相位，可以实现对波束方向图的动态调整。
三、相控阵的分类根据阵列中天线元件的数量和排列方式，相控阵可以分为以下几类：1. 线阵：线阵是由一系列沿直线排列的天线元件组成，适用于需要大范围扫描的场景。
线阵可以分为一维线阵和二维线阵。
一维线阵只有一个维度上的天线元件，适用于单向扫描；二维线阵有两个维度上的天线元件，适用于双向扫描。
2. 面阵：面阵是由一系列分布在一个平面内的天线元件组成，适用于需要高分辨率的场景。
面阵可以分为矩形面阵和圆形面阵。
矩形面阵中的天线元件呈矩形排列，适用于需要高增益的场景；圆形面阵中的天线元件呈圆形排列，适用于需要低副瓣的场景。
3. 子阵列：子阵列是由一组相互独立的子阵列组成，每个子阵列可以独立控制其相位。
子阵列可以提高系统的可靠性和灵活性，适用于需要快速响应的场景。
四、相控阵的应用相控阵技术在雷达、通信、无线电等领域具有广泛的应用前景。
以下是一些典型的应用场景：1. 雷达系统：相控阵雷达通过控制阵列中每个天线元件的相位，实现对波束方向图的动态调整，从而实现对目标的快速跟踪和高分辨率成像。
相控阵天线eirp计算
相控阵天线eirp计算（原创实用版）目录1.相控阵天线的基本概念2.相控阵天线的工作原理3.相控阵天线的 EIRP 计算方法4.EIRP 计算的实际应用案例5.结论正文1.相控阵天线的基本概念相控阵天线是一种高精度、高性能的天线系统，由多个辐射单元组成。
这些辐射单元可以通过控制其相位和幅度来实现对波束指向和形状的控制。
相控阵天线在通信、导航、遥感等领域具有广泛的应用。
2.相控阵天线的工作原理相控阵天线的工作原理是通过控制各辐射单元的相位和幅度来调整天线波束的方向和形状。
当各辐射单元的相位相同且幅度相等时，天线波束呈球面波；当各辐射单元的相位不同且幅度相等时，天线波束呈平面波；当各辐射单元的幅度不同且相位相同时，天线波束呈椭圆波。
通过改变各辐射单元的相位和幅度，可以实现对天线波束的指向和形状的控制。
3.相控阵天线的 EIRP 计算方法EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）是指天线实际辐射功率与理论辐射功率之比，单位为分贝（dB）。
相控阵天线的 EIRP 计算方法主要包括两种：一种是基于天线单元的 EIRP 计算方法，另一种是基于系统级的 EIRP 计算方法。
基于天线单元的 EIRP 计算方法主要通过计算每个天线单元的辐射功率，然后乘以天线单元的数量得到总的 EIRP。
这种方法适用于分析天线单元对 EIRP 的贡献。
基于系统级的 EIRP 计算方法主要通过测量系统的总辐射功率和系统在天线指向方向上的辐射功率，然后计算它们之间的比值得到 EIRP。
这种方法适用于分析系统的整体性能。
4.EIRP 计算的实际应用案例在某卫星通信系统中，需要对相控阵天线的 EIRP 进行计算，以确保系统在不同工作条件下都能满足性能要求。
具体步骤如下：（1）根据系统要求，确定天线单元的数量、尺寸和形状。
（2）计算每个天线单元的辐射功率。
（3）计算天线单元间的相互作用，包括天线间的互相关和互相干。
相控阵天线
无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特 性阻抗，用符号Ｚ。表示
通常Ｚ。=50欧姆
馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间 介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率 以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。
天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信 号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗Z
当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有 入射波，没有反射波。
当相邻单元的相位依次相差时最大波束形成于是电调天线的重要组成部分它通过调节馈电网络的长度来改变各振子馈电相位实现天线波束下倾有源相控阵的每个辐射器都配装有一个发射接收组件每个组件都能自己产生接收电磁波因此在频宽信号处理和冗度设计上都比无源相控阵具有较大的优势无源相控阵仅有一个中央发射机和一个接收机发射机产生的高频能量经过计算机自动分配给天线阵的各个辐射器目标反射信号经接收机统一放
不下倾
电调下倾
机械下倾
电下倾的产生
无下倾时
在馈电网络中 路径长度相等
有下倾时
在馈电网络中 路径长度不相等
常规天线
电调天线
对于间隔排列为d的N个单元阵列，当 相邻单元的相位呈等相均匀分布时， 天线最大波束形成于法向正前方。
当相邻单元的相位依次相差Φ时，最大 波束形成于θ0空间方向。
2λ πd•s in0
2 天线的阻抗振匹配 6 相控阵的基子本模型 无限长传输线上各点电压与电流的比磁值场等于特性阻抗，用符号Ｚ。
磁场
无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号Ｚ。
而能当量天 。线和馈线不匹电配场时，也就是天线阻抗不等于馈线特性电阻场抗时，负载就不能全部将馈线上传输电的场高频能量吸收，而只能吸收部分
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
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第二章相控阵天线的基础理论相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。
虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。
天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。
在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。
在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。
在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。
下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。
2.1相控阵天线扫描的基本原理2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。
根据基本的阵列类型，线性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。
垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。
相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。
由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。
图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。
每一个天线单元的激励电流为I i(i =0,1,2,...N -1)。
每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。
天线单元的方向图函数用fiG,：)表示。
图2.1 N单元线性相控天线阵原理图阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为：e丸E i =K i I i fip, ) (2.1)式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离，f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为:(2.2)式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。
在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。
因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：若各单元比例常数K i =1，各天线单元方向图f i (y 「)相同，则总场强表示为:假设观察点P 距离天线阵足够远，则可认为各天线单元到该点的射线互相平行。
近似：(2.6)式带入(2.4)式，总场强可进一步简化为:i =0N° j i(』dcos 住in 申_皿)定义式(2.7)中F(Y J 八天线方向图的 i =0一个重要定理一一乘法定理。
即阵列天线方向图函数E(j :)等于天线单元方向图函数 i =0 为了便于讨论和易于理解线性相控阵天线扫描原理，通常将图2.1简化为图2.2所示 情况。
假定天线单元方向图f (二「)足够宽，满足全向性，在线阵天线波束扫描范围内， 可忽略其影响时，线阵天线方向图函数可表示为：N4 ji (罕 dsin g 筑)F L —y e '(2.8)i =Q 式中，a i 为幅度加权系数，「B 为相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值 ，且 丄B = d sin 弘，二B 为天线波束最大指向。
扎图2.2 N 单元线性相控天线阵简化图 令厶=—dsin ，，它表示相邻单元接收到来自 二方向信号的相位差，可称为相邻单h元之间的空 间相位差。
若令「B 二X ，对均匀分布 照射函数，ai =1，可得: NJ NJ eE 八 £「K j l i fiG,)-(2.3)N JE =f(W a i -i =0 」刍 (2.4) 「i 根据远场 对幅度: 对相位: 「i =「0 * 二 r 0 - id cos (2.5) 因为 cos ： y = COSTS in(2.6) 将(2.5) N A E 二 f(H J 、qe j i(2 dcos Tin=，B ) (2.7)N J f (二;:)与阵列因子F(d 订八a i eji (乙dcos$in 丄;B ) 的乘积可见，线性相控阵天线方向图函数|F(R|是以辛格函数表示的。
由此，可以得到线阵天线的基本性能。
当号X ，时，|F ®有最大值，代)冃。
此时波束指向，B 的表达式 为：2二 d由式(2.11)可知，通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值「「B ，即可改变天线波束 最大值指向。
而厶B 是通过每个天线单元后端设置的移相器实现的。
2.1.2平面相控阵天线扫描的基本原理平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上，天线波束在方位与仰角两个方向上均可 以进行相控扫描的阵列天线。
目前，大多数远程、超远程相控阵雷达以及新的三坐标相控 阵雷达均采用平面相控阵天线。
一个平面相控阵天线可以分解为多个子平面相控阵天线或 者分解成多个线阵。
相应的，由发射机至各天线单元的信号功率分配网络与由天线单元到 接收机之间的功率相加网络也会随之变化。
平面相控阵天线单元的排列方式主要有两种： 矩形格阵排列和三角形格阵排列，后者可以看成是由两个单元间距较大的按照矩形格阵排 列的平面相控阵天线所构成。
图2.3所示为平面相控阵天线示意图，天线阵列位于 yoz 平面上，共有M N 个天线 单元，沿y 方向的N 个阵元以间距d y 均匀排列，沿z 方向的M 个阵元以间距d z 均匀排列， 从而形成矩形栅格阵的平面阵。
图2.3等间距排列的平面相控阵天线示意图设目标所在方向以方向余弦表示为(cos 「x ,cos 〉y ,cos :―)，则由各天线单元到目标方向 之间存在的路程差决定了信号传输过程中的相位差。
因此，沿 y 轴和z 轴相邻天线单元之 间的空间相位F(“ 二 1 -e ,由欧拉公式化简得到:.N 丫 sin X j N J X F (小 T^P X sin — X 2 取绝对值，考虑到实际线阵中单元数目 N 较大，在天线波束指向最大值附sin^ : X ，故得到线阵的幅度方向图函数为： 2 2 N 二 sin d(sin J - sin v B )N (2.9) 对式(2.9) 近X 较小。
根据等价无穷小替换, .N 丫 sin X一 N X 2 (2.10) (2.11)二 arcsin( B )差可分别表示为：(2.12)第(i,k)个单元与第(0,0)个参考单元之间的空间相位差为.=H 二y kA k 。
若天线阵内由移相器提供的相邻天线单元之间的阵内相位差，沿 y 轴与z 轴刻分别表示为:(2.13)式中，COS\0与COS 〉z 0分别表示波束最大值指向的方向余弦。
当以球坐标 (H 「)表示时,根据图2.3可知：cos -" cos^0sin 0.(2.14)cos ： z = sin 4 第(i,k)个单元与第(0,0)个参考单元之间的阵内相位差为.「Bik = i 「「By ，k.「B 。
记 :二By ，亠丄Bz ，则「Bik =i ： k ，：、 ■-在此处表示简化的阵内相移值。
设第(i,k)个天线单元的幅度加权系数为a ik ，类似于线阵天线方向图函数的求解过程, 在忽略天线单元方向图的影响条件下，平面相控阵天线的方向图函数F(cos ：『,cos ： z )可表示为：满足均匀分布。
此时平面相控阵天线的方向图函数可表示为:N 4M 4 F(cosa y,cos a z )=送瓦 a ik e "曲皿k )i=0 k=0 N 4M 4二 ＜：＜：a ik e j 心 y —] (2.15)i =0 k=0 考虑到cos ： y =cos r sin‘cos ： z =sin^(2.16)N -4M -4 F (叮：)二二 a ik ei =0 k=0 j[i(卑^d y cos Q sin 业O *(印二 sin&— (2.17)通常情况下，天线照射口径函数为等幅分布, 即不进行幅度加权, 幅度加权系数a ik = 1，d y cosot y o d z cos ： z oN 」ji(^0d y cos 涉n M 」j k(^d z si ^_f3)F(K J 八 e ， ■ ■ ■"■ e ' ■ =|F(H J| |F2(讪(2.18)i 卫 k) 式(2.18)表明，在等幅分布条件下，平面相控阵天线方向图可以看成是两个线阵天线方向图函数的乘积。
其中|F i (二「)|表示水平方向线阵的天线方向图，厅2(旳|是垂直方向线阵的天线方向图。
与线阵方向图的推导类似，这里有: 由(2.19)可以看出，分别改变相邻天线单元之间的相位差 〉、一：值，即可实现平面相 控阵天线波束的扫描，而〉、［值的改变仍然是通过每个天线单元后端设置的移相器实现 的。
2.2 相控阵天线的基本构成相控阵天线理论和技术的蓬勃发展， 使得相控阵天线在电路设计、结构形式和微波元件及控制方法等方面千差万别［29］。
通常情况下，相控阵天线是由天线阵面、移相器、馈线 网络以及相应的控制电路等几部分组成。
如果相控阵天线的馈电网络中不含有源电路，则 称此天线为无源相控阵天线。
如果天线的各个单元通道中含有有源器件，例如信号功率放 大器、低噪声放大器、混频器等，则称此天线为有源相控阵天线。
2.2.1天线阵面相控阵天线阵面通常是由几百个到几万个不等的通过相位进行控制的通道激励辐射 单元构成。
这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。
当这些 辐射单元分布于平面上，称为平面相控阵天线；分布于曲面上，称为曲面相控阵天线；如 果该曲面与雷达安装平台外形相一致，则成为共形相控阵天线 (con formal phased arrayantenna 。
相控阵天线单元的排列方式主要有矩形格阵排列、三角形格阵排列以及六角形 格阵排列等。
2.2.2馈线网络相控阵天线是一个多通道系统，一般均包含大量天线单元，在发射机、接收机与天线 阵各单元之间必须有一个多路馈线网络。
通过发射机输出端将信号送至天线阵面中各个辐 射单元或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收机输入端的过程，称为馈电， 而将为阵列中各个天线单元通道提供实现波束扫描或改变波束形状所要求的相位分布称 为馈相。
其中的馈电方式主要包括强制馈电与空间馈电两种，改变波束形状所要求的各通 道激励相位是通过微波器件一移相器实现的。
强制馈电(constrained feeding 亦成为约束馈电。
该系统采用波导、同轴线、板线、微带线等微波传输线实现功率分配与相加网络。
由于发射激励信号发射机输出信号以及接收 N 2-： sin — (——d y COsTsin -a )|FC 「)| = N N 22」 一(丄d y cos^sin ® -a ) /(2.19).M /2 J . a sin ——d zsin 日一戸) |F 2(R|=M ^―M ,2二机输入信号均只在传输线中传播，辐射泄漏很小，馈电网络的电磁兼容性容易得到保证。