经典雷达资料-第6章__反射面天线

第6章反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。

发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。

接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。

因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用。

在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角。

为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。

雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径。

后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系。

许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度。

以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收。

虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线。

在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。

相控阵天线的内容参见第7章。

波束扫描与目标跟踪由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到。

这就是警戒雷达或搜索雷达的功能。

有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线。

在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能。

测高大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标。

在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度。

现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束。

这些波束在水平方向同样窄，但垂直堆积接收波束可以用两个相邻的交叠波束测量回波振幅来确定目标的仰角。

天线的分类雷达天线可以分为两大类，光学天线和阵列天线。

顾名思义，光学天线是基于光学原理的，它包含两个子类，即反射面天线和透镜天线。

反射面天线仍然广泛应用于雷达中，而透镜天线虽然仍用于一些通信和电子战（EW）场合，但已经不再用于现代雷达系统中。

为了减少篇幅，透镜天线将不在本书中详细讨论。

但第一版中关于透镜天线的参考资料仍保留在本章末的参考资料中。

6.2 基本原理和参量本节简述天线的基本原理，着重介绍对雷达系统设计师有用的术语的定义。

为了给雷达系统选择最佳类型的天线，系统设计师应该对将要选择的各种类型天线的基本性能特征有清楚的认识[1]，包括反射面天线（在本章讨论）和相控阵天线（在第7章讨论）之间的选择，还有用相控阵列馈电的反射面天线。

虽然本章着重讨论反射面天线，但是本节讨论的许多基本原理适用于所有的天线。

对任何天线，必须考虑的三个基本参量包括：增益（和有效孔径）辐射方向图（包括波束宽度、副瓣）阻抗（电压驻波比或VSWR）其他的基本考虑还有互易性和极化，它们将在本节做简要介绍。

互易性大多数雷达系统都采用一副天线，既用于发射，又用于接收，而且大部分这样的天线都是互易性设备，其含义是它们的性能参量（增益、方向图、阻抗）在两种工作方式下是一样的。

这一互易性原理[2]允许天线既可以看成是发射设备，又可看成是接收设备，由具体讨论时哪个更方便而定。

这也允许在任何一种工作方式下测试天线（参见6.10节）。

非互易雷达天线的例子是使用了非互易的铁氧体元件的相控阵天线，收发模块中含放大器的有源阵列天线和3D（距离、方位和仰角）雷达的测高天线。

后者的代表是AN/TPS—43雷达[3]，它在接收时采用在仰角上堆积的几个交叠波束，在发射时采用一个宽仰角波束。

在水平方向上波束都一样窄。

必须分别测试这些非互易天线的发射特性和接收特性。

增益、方向性系数和有效孔径术语天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。

天线增益的两个不同却相关的定义是，方向增益和功率增益。

前者通常称做方向性系数，后者常称为增益。

清楚地理解两者之间的区别是非常重要的。

方向性系数（方向性增益）定义为最大辐射强度（每立体弧度内的瓦数）与平均辐射强度之比，即π==4/辐射的总功率率每立体弧度内的最大功平均辐射强度最大辐射强度D G （6.1） 也可以用远场距离R 处的最大辐射功率密度（每平方米的瓦数）与同一距离上的平均密度之比表示，即 2max 24/4/RP P R G t D π=π=辐射的总功率最大辐射功率密度 （6.2） 因此，方向性系数定义就是指，实际的最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的功率密度强多少倍。

注意，这个定义不包含天线中的耗散损耗，只与辐射功率的集中有关。

增益（功率增益）包含天线的损耗，并且用天线输入端收到的功率P 0来定义，而不用辐射功率P t ，即 20max 24/4/RP P R G π=π=收到的总功率最大辐射功率密度 （6.3） 对于实际的（非理想的）天线，辐射功率P t 等于收到功率P 0乘以天线辐射效率因子，0P P t η= （6.4）例如，若一个典型天线的耗散损耗为1.0 dB ，则79.0=η，即输入功率的79%被辐射。

其余部分)1(η-或21%，被转化为热能。

对反射面天线，大部分的损耗都发生在连接到馈源的传输线上，并能够做到小于1 dB 。

比较式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系数之间有如下的简单关系：D G G η= （6.5）因此，除理想无耗天线（=1.0, G =G D ）外，天线增益总是小于方向性系数。

方向性系数-波束宽度间的近似关系天线方向性系数与波束宽度间有如下近似的且非常有用的关系（参见2.3节）：elaz 40000B B G D ≈ （6.6） 式中，B az 和B el 分别为主平面内的方位和俯仰半功率波束宽度（单位为）。

这一关系与方向性系数为46 dB 的1×1笔形波束等价。

由这一基本组合，其他天线的近似方向性系数可以很快求出，例如，与1×2波束对应的方向性系数是43 dB ，因为波束宽度加倍对应的方向性系数下降3 dB 。

类似地，2×2波束对应40 dB ，1×10°波束对应36 dB 的方向性系数，依次类推。

将每次波束宽度的变化都转换成分贝，方向性系数也做相应的调整。

但这一关系不适用于赋形（如余割平方）波束。

有效孔径天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。

有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的。

对面积为A ，工作波长为的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为2/4λA G D π= （6.7）上式表示孔径A 可提供的最大增益，并意味着天线有理想的同相位、等振幅的分布。

为了减小方向图的副瓣，天线通常并不是均匀照射，而是渐变照射（孔径中心最大，边缘较小）的。

这时，天线的方向性增益比式（6.7）给出的要小，即2/4λe D A G π= （6.8）式中，A e 是天线的有效孔径或捕获面积，等于几何孔径与一个小于1的因子a （称为孔径效率）的乘积：A A a e ρ= （6.9）最好将孔径效率称为孔径效能，因为它不包括转化为热能的RF 功率，也就是说，它不含耗散效应，而只是给定孔径被利用的有效程度的量度。

比如说，孔径效率为50%（a =0.5）的天线比均匀照射孔径的增益低3 dB ，但并不是耗散了一半的功率。

有效孔径表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益。

有效孔径是一个面积，与入射功率密度相乘后可给出天线的接收功率：e i r A P P = （6.10）辐射方向图电磁能在三维角空间中的分布表示成相对（归一化）基础上的曲线时，称为天线辐射方向图。

这种分布可用各种方式绘制成曲线，如极坐标或直角坐标、电压强度或功率密度、单位立体角内功率（辐射强度）等。

图6.1所示为典型的圆孔径天线的方向图，该图将等距离上的对数功率密度（垂直坐标用分贝计）与方位角和俯仰角的关系绘制在直角坐标系中。

方向图的主瓣（或主波束）是笔形波束（圆截面），四周是较小的瓣，通常称为副瓣。

角坐标的原点取在主瓣峰值方向，通常称为天线的电基准轴。

电基准轴可与天线的机械轴（即对称轴，有时称为视轴）重合，也可以不重合。

若两者不重合（常常是无意的），其角度差称为视轴误差，在测量目标方向时必须考虑这种误差。

图6.1（a ）所示为天线方向图的三维特性，以这种形式绘制方向图需要大量的数据。

同样的数据也能够绘制成等功率电平轮廓线图，如图6.1（c ）所示。

这些轮廓线图是一系列水平面与三维方向图在不同的功率电平处的交线，对显示功率的角空间分布是很有用的。

在大多数情况下，用二维方向图就足够了，且测量和绘制起来比较方便。

例如，如果将图6.1（a ）的方向图与通过波束峰值和0方位的垂直面相截，则得到方向图的二维切片或“切割”，称为主平面垂直方向图，如图 6.1（b ）所示。

用与第一个平面垂直或正交的平面（含峰值和0仰角）做类似的切割，得到所谓的方位方向图，它也是一个主平面截面，因为其中包含波束峰值，也包含一个角坐标轴。

这些主平面有时也称为基本平面。

其他通过波束峰值的所有垂直平面则称为基本间平面。

为了描述天线的方向性能，有时需要测量和绘制±45基本间平面内的方向图，然而对于大多数情形只需绘制方位和俯仰方向图就足够了，或者说用两个包含波束轴的平面切割对三维方向图采样就足够了（且经济得多）。

术语方位和俯仰意味着以地面为参考坐标，这并不总是可行的，尤其是对机载或天基（星基）系统。

通常，天线的更通用的一对主平面是线性极化天线的所谓E 面和H 面。

其中，E 面方向图是包含天线辐射的E 场（电矢量）方向的主平面，由于H 面与之正交，故包含H场（磁矢量）方向。

这两个主平面不依赖基于地面的方向（如方位和俯仰），故被广泛应用。

图6.1 典型的笔形波束方向图：（a ）整个方向图的三维直角坐标曲面图；（b ）主平面垂直方向图；（c ）等强度（等照射）线（由美国海军研究实验室的D. Dhoward 提供）应该注意的是，对三维方向图的采样不限于上述平面切割。

从测量技术的观点看，有时取锥形切割是有意义且方便的，也就是用以天线的电轴（或机械轴）为中心取不同角宽度的角锥来截三维方向图。

图6.1（b ）中所示的典型的二维方向图常常绘制在直角坐标系中，垂直轴用分贝表示。

至今，这是绘制方向图时最广泛采用的形式，因为它清楚地提供方向图的细节，并具有很宽的电平动态范围。