相控阵天线 ppt课件
相控阵天线的基础理论
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 0,1,2,...N 1)i I =-。
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(,)i f θϕ表示。
图 2.1 N 单元线性相控天线阵原理图y阵中第i 个天线单元在远区产生的电场强度为：2(,)ijr i i i i ieE K I f r πλθϕ-= (2.1)式中，i K 为第i 个天线单元辐射场强的比例常数，i r 为第i 个天线单元至观察点的距离，(,)i f θϕ为第i 个天线单元的方向图函数，i I 为第i 个天线单元的激励电流，可以表示成为：B ji i i I a e φ-∆=(2.2)式中，i a 为幅度加权系数，B φ∆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。
相控阵雷达ppt课件(2024版)
第五章 相控阵雷达
§5.1概述
相控阵： 相位可控的阵列。相控阵天线是由许多辐射单元排
列组成的，每个单元的馈电相位均可灵活控制，改变波 阵面。
相控阵的概念很明确、很简单，但它与其他许多技术 有关，研究较早，发展较慢。目前处于迅速发展、激烈 变化的时期。
9
相控阵采用的高技术：
计算机技术 固态技术 信号处理技术 光电子技术 新材料技术 以及器件、结构、工艺的发展
铁氧体(4段) 波导 图5.7铁氧体移相器
铁氧体移相器结构如图5.7。其中，铁氧体上的线圈未画出。利 用线圈对每段铁氧体独立充磁，改变各段磁化状态，从而改变波导 中的相位移。
速度慢、体积大、、功率大
移相的量化误差。
23
波束形成网络
波束形成分发射波束形成、接收波束形成， 一般指接收波束形成。
射频波束形成 中频波束形成 数字波束形成 多波束形成
线性调频扫描 非线性调频扫描
噪声
|f2-f1| |f2-f1|
B
分辨率 1/比特率
1/|f2-f1| 1/|f2-f1|
1/B
4
9.脉冲压缩原理:
设信号函数为s(t),对应的匹配滤波器的冲激响应为： h(t)=s*(t0-t) 经过匹配滤波器的输出信号y(t)为：
y(t) s(t) * h(t) s()s*( t t0)d
F Fa Fe
Fe(θ)称为阵元因子。
关于阵列天线的栅瓣
阵列因子图： 主瓣
栅瓣
栅瓣
-π/2
0
π/2
π
3π/2 2π
图5-2阵列因子图
15
主瓣
栅瓣
栅瓣
-π/2
0
π/2
π
阵列天线PPT课件
.
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N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
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N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式阵列 • 泰勒分布阵列
.
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阵因子
• 均匀幅值阵列具有最小的半功率波束宽度 • 二项式分布幅值阵列能够实现最小的副瓣电平 • 二项式分布幅值阵列单元间距小于半波长时，副瓣
.
N元等幅均匀线阵
求解最大值点：
阵列存在唯一的一个最大值点，即m=0 求解阵因子的3dB波束点：
.
线阵实例 1: 侧射阵
• 波束最大指向θ0=90°（线阵沿Z轴），当单元 的波束最大指向和阵因子的最大波束指向均指向 θ0=90°时，便可达到最佳的侧射阵。 • 对于单元天线的波束指向要求，可以通过选择 合适的辐射单元来满足要求 • 对于阵因子的波束指向要求，可以通过合理的 调整阵列单元间的间距、每个单元的相位激励实 现。
.
N元非等幅均匀阵列
• 阵因子比较 • 二项式分布阵列 • 多尔夫-切比雪夫多项式泰勒线阵—线源激励计算
线源激励幅度的分布为
i1
Ii (p)12 Sn(m)com s()p m1
1
m0
Sn(m)＝(i1[m (i )1!(i)!]21m)!ii1112A2m (2i12)2 0mi
➢在每个天线单元的馈端 以及电缆的公共馈端处各 接入一个开关 ➢控制联动开关可使波束 从边射移到45°方向
.
相控阵
➢ 每个阵列单元都有移相器和衰减器，所有馈电 电缆都布置成等长度的组合结构
.
相控阵
➢端馈相控阵也需要逐个单元配有移相器和衰减 器，由于在单元之间引入了递进的相位移，随着 频率的变化，在额定的相位移之外，还需要附加 相反的相位变化作为补偿
相控阵天线 ppt课件
50 ohms
朝前: 10W 返回: 0.5W
80 ohms
9.5 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
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 大
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。
而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻 抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收 部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。
6dBd 25
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
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。
越好。Biblioteka 1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度 方向：垂直，水平，+45，-45
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相控阵天线
课件
主要内容
相控阵 天线原
理
发展历 程
发展前 景
相控阵天线原理
Background (背景)
用一张图片来说明研究背景
Solution (方案)
方案具体步骤说明
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Solution (方案)
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Solution (方案)
Simple
简单
Effective
有效
总结提出的方案，不仅简单，而且有效。
Result (成果)
相控阵原理 ppt课件
浙江大学现代制造工程研究所、成都无损检 测系统工程公司、北京航空材料研究院无损检 测研究室、武汉中科创新技术公司
♦缺陷回波的提取
♦波的模式转换与识别
♦信号压缩
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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目录
CONTENTS
1
技术背景
2
超声相控阵探头检测原理
3
相控阵探头
4
相控阵扫描聚焦法则
3 相控阵探头
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常规探头
根据具体的应用和检查位置的不同，常规探头必须根据要求 作出不同的焦点，角度，口径。
超声相控阵检测技术原理
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CONTENTS
• 2001年，我国首次在国家重点工程——西气东输中应用 了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
研究历史
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• 相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；
相控阵天线
相控阵天线图1：左：两个天线单元，与同相馈，右：两个天线单元，与美联储不同的相移相控阵天线的辐射单元组成，每个地段与移相器。
梁所形成的转移，从每个辐射元件发出的信号相位，提供建设性/破坏性的干扰，以便在需要的方向引导横梁。
在图1（左）都辐射元素厌倦同相。
该信号被放大的主要方向建设性的干扰。
梁清晰度提高了破坏性的干扰。
图2：电子束偏转动画在图1（右），信号发出的辐射元素降低了10度的相移比上辐射元素前面。
正因为如此的发射和信号的主要方向是向上移动。
（注：辐射元素已被用于无反射，因此在图中显示的图后瓣天线是一样的主瓣大）主梁总是指向在增加相移的方向。
那么，如果信号被辐射是通过电子传递相移器给人一种连续相移现在，将电子束的方向调整。
但是，这不能无限延长。
最高值，可用于查看相控阵天线（FOV）领域所取得的为120 °（60 °和60 °左右）。
随着正弦定理的必要阶段的时候可以计算出来。
下图以图形显示了辐射单元矩阵。
任意天线结构可以作为天线领域中的一个焦点。
对于相控阵天线是决定性的，单一辐射元素与常规相不动，因此改变了梁的主要方向带领。
例如天线的市场价117由1584辐射在一个模拟波束形成结•••••••可能的安排线性阵列图3：相控阵天线线阵这些天线组成，其行约一个共同的移相器送入元素。
一个垂直安装在对方数线性阵列形成一个平面天线。
•优点：简单的安排•缺点：只在一个平面上可能的射线偏转•举例给出：•PAR - 80（水平波束偏转）和•RRP - 117（垂直波束偏转）•大型立式孔径（LVA），与固定波束天线的模式。
这对相控阵天线是一种常用的，如果波束偏转是在一个平面上，因为只需要一个完整的天线又是无论如何进行（RRP - 117）。
图4：相控阵天线平面阵列平面阵列这些天线阵列完全由单打辐射元素和它每获得一个自己的相移器。
该元素是有序的矩阵数组。
对所有元素形成完整的平面布置相控阵天线。
相控阵原理 ppt课件
1 技术背景
武汉中科创新技术股份有限公司
规范化的应用情况
ASME CC 2235-8、9明确是可用于替代射线检测的方法之一 ASTM E1961-1998相控阵技术可用于天然气管线焊缝分区聚焦超声检测 DNV-OS-F101允许相控阵技术用于海上石油管线建设焊缝分区聚焦超声
检测 中石油《管道对接环焊缝全自动超声波检测》企业标准
• 2001年，我国首次在国家重点工程——西气东输中应用 了相控阵技术，即PIPEWIZARD全自动超声检测系统。
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
研究历史
武汉中科创新技术股份有限公司
• 相控阵技术广泛应用于各医院的B超检测中，精确测量人体各器官位置及尺寸变化；
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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研究历史
• 现在逐渐被用于工业检测中，用于航空航天、石油化工、船舶、输油管 道、锅炉压力容器、钢结构及异型对接焊缝等动态图像化检测。
B超
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
1 技术背景
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国内外研究现状 ——超声相控阵
2 超声相控阵检测原理
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相控阵的功能
➢ 改变声束位移 ➢ 改变声束角度 ➢ 改变聚焦距离和聚焦特性 ➢ 电子扫描 ➢ 电子扫描成像
中国数字超声，始于中科院，一九八八！
2 超声相控阵检测原理
基本概念
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探头阵列 将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立
小单元探头的阵列。
相位控制 独立控制各个阵元的发射和接收的微小延时，
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磁场
电场 电波传输方向
磁场
电场
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
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。
50 ohms
朝前 W
当传输线的特性阻抗Ｚ。天线的输入阻抗Ｚ
（Ｚ -Ｚ。) 反射系数Γ＝ --------------------
（Ｚ （ 1+Γ）
驻波系数Ｓ＝------------（1-Γ）
终端负载阻抗和特性阻抗越接近，反射系
数越小，驻波系数越接近于１，匹配也就
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 大
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•sin0
d sin
d
d
0
2
k
0
12
k
0
si
n 1
d2/
(N－ 1)
N－ 1
移相器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
越好。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
天线的极化就是指天线辐射时形成的电场强度 方向：垂直，水平，+45，-45
如果电波在传播过程中电场的方向是 旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过 程中，如果电场的幅度，即大小保持 不变，我们就叫它为圆极化波。向传 播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋 圆极化波，反时针方向旋转的叫做左
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。
而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻 抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收 部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的输入阻抗 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
天线
抱杆
室外馈线
主馈线（7/8“）
室内超柔馈线
防雷保护器 基站主设备
反射板
振子
发射时：
把高频电流转换为电磁波
接收时：
把电磁波转换为高频电流
振 子
旋圆极化波。
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
顶视
侧视
在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“ 面包圈” 压成扁平的
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
增益是指在输入功率相等的条件下， 实际天线与理想的辐射单元在空间同 一点处所产生的场强的平方之比，即 功率之比。
在同等条件下，增益越高，电波 传播的距离越远
板状天线增益与水平波瓣宽度
半波振子
半功率波瓣宽度
360
以半波振子 为参考的增益
0dBd
带反射板的半波振子 180
3dBd
带反射板的两个半波振子 90 理论辐射图
6dBd 25
1 天线的基本结构及工作原理 2 天线的阻抗匹配 3 天线的极化方式 4 天线的辐射方向图 5 天线的增益 6 相控阵的基本模型
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。