第十三章 单脉冲天线

π ( 2
)2
−
(at2
)2
t1 = k sinθ ′cosϕ′ ， t2 = k sinθ ′sinϕ′
由上式可求出抛物面的口径场，并同时进行如下坐标变换，
t1 = k
x
f
2 e
+
R2
，
t2 = k
y
f
2 e
+
R2
，
cosθ ′ =
fe
, R=
fe2 + R2
则次级口径的归一化场分布由下式决定
fΣ
图 13-2 幅度比较单脉冲
若探测到一个目标，来自 A 方向，这时两波束收到的回波信号相位相同， 但幅度不等。两信号相减形成的差信号是目标方向的函数。这个差信号的大小， 表示了目标偏离天线轴向角度的大小，差信号的正负，则表示目标偏向哪一边。 由差信号驱动电机使天线转动而对准目标，则差信号为 0。从而实现了跟踪。
• 口径场法：是将馈源和比较器视为一个整体。把接收时产生的三个波束用发
射状态来分析。馈源口径上有三种初级场分布，这三种初级场分布产生的
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三个初级波束照射反射面。在反射面口径上建立起相应的三种次极口径场 分布，然后向空间发射三个次级波束。
• 主要电气指标
单脉冲天线的电气参量与普通天线一样。也要用到增益、半功率波瓣宽度、 副瓣电平等。但由于其工作体制的不同，还要用差波束的相对斜率、绝对斜率、 分离角和零深及角灵敏度的指标。
hΣ ( x, y) = hΣx ( x) ⋅ hΣy ( y)
hΣx
(
x)
=
⎧⎪1 , ⎨ ⎪⎩0,
c ≤ x ≤ c + 2b 其他点
hΣy
(
y
)
=
cos(
π 2a
y)
,
y ≤a
和状态下的馈源(初级)方向图为
fΣ
(θ
′,ϕ
′)
=
(1
+
cosθ
′)
cos(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
cos(at2 )
差方向图为
∫∫ FΔα (θ ,ϕ ) = fΔα ( x, y)e jk ( xsinθ cosϕ + y sinθ sinϕ )dxdy
S
次级俯仰差方向图为
∫∫ FΔβ (θ ,ϕ ) = fΔβ ( x, y)e jk ( xsinθ cosϕ + y sinθ sinϕ )dxdy
S
由前面导出的和、差次级方向图公式进行了分析计算，得到了方向图。计算
时取频率为 f = 36GHz 。选择双口双模馈源口径尺寸为 2a = 13mm ，2b = 3.2mm ，
2c = 1mm ； 选 取 主 反 射 面 为 椭 圆 反 射 面 ， 其 长 半 轴 A = 160mm ， 短 半 轴 为
B = 65mm ；等效焦距 fe = 80mm 。
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式中，S 为主反射面圆口径面积。 ■方位、俯仰差波束方向图分析
波导为 TE10 模激励，馈源的口径场分布下图所示。其方位差口径分布为 hΔα ( x, y) = hΔαx ( x) ⋅ hΔα y ( y)
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<<天线原理与设计>>讲稿
⎧−1 hΔαx ( x) = ⎪⎨0
⎪⎩1
, − c − 2b < x < −c , − c < x < −c , c < x < c + 2b
差波束产生差信号，实现目标的跟踪； 和波束在发射时照射目标，接收时提供目标的距离信息。并给差信号提供 相位参考。 单脉冲天线的分析，主要有两种方法： 次级波束加减法 口径场法
• 次级波束加减法：是把馈源分离成几个单独的馈源，例如把四喇叭馈源看作
四个馈源，每个喇叭各自产生偏轴的次级波束，然后把比较器的作用归结 为对次级波束的直接相加和相减，从而得到单脉冲天线的和波束和两个差 波束。 此法的优点是直观，对天线的工作原理来说物理概念明确。
还有一路差信号 ( E1 − E3 ) − ( E2 − E4 ) 为交差信号无用，该差支路信
号接匹配负载吸收。
图 13-3 幅度比较单脉冲天线的馈源和比较器
图 13-4 魔 T
注：魔 T（双 T）的工作特性： ■结构如图 13-5 所示。
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■工作特性 接收时：当同频信号 E1 、 E2 由 1 口和 2 口输入时，3 口输出为两信号的和值
f Δα
(θ
′,ϕ
′)
=
(1
+
cosθ
′)
sin(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
π ( 2
cos at2 )2 − (at2
)2
f Δβ
(θ
′,ϕ
′)
=
(1
+
cosθ
′)
cos(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
π
sin at2 2 − (at2
)2
经坐标变换后 fΔα (θ ′,ϕ ′) = fΔα ( x, y) ， fΔβ (θ ′,ϕ ′) = fΔβ ( x, y) ，同理可求得次级方位
双喇叭双模馈源如下图 13-11 所示。
图 13-11 实际的双喇叭双模馈源
双喇叭双模馈源实现三种波束的口径场分布如下图 13-12 所示。
(a)和口径场分布 (b)方位差口径场分布 (c)俯仰差口径场分布 图 13-12 双喇叭双模馈源三个波束的口径场分布
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<<天线原理与设计>>讲稿
■和波束方向图分析 和状态下馈源的口径场为
为了进行原理分析，设比幅单脉冲天线的馈源是由四个喇叭和比较电路构 成的。假如上图为俯仰面的话，另两个喇叭就构成方位面。四喇叭馈源及比较器 电路如图 13-3 所示。
图中，1，2，3，4 表示四个喇叭组成的馈源。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 表示四个波导魔 T，如图 13-4 所示，并以 E1 、 E2 、 E3 、 E4 分别表示 四个喇叭接收到的回波信号幅度。 E∑ 表示和信号， E+α 表示方位差信 号， E+β 表示俯仰差信号。
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归一化馈源和方向图
归一化次级场和方向图
归一化馈源方位差方向图
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归一化次级场方位差方向图
归一化馈源俯仰差方向图
归一化次级场俯仰差方向图
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3. 单脉冲天线特性参数
由馈源的口径和分布 h∑ (x, y) 、方位差分布 hΔα (x, y) 、俯仰差分布 hΔβ ( x, y) 以
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<<天线原理与设计>>讲稿
第十三章 单脉冲天线
一、引言
单脉冲又称同时多波束。单脉冲体制是在圆锥扫描和顺序波束转换体制基础 上发展起来的。因为波束圆锥扫描和波束转换技术对回波幅度起伏是很敏感的， 跟踪误差大。而单脉冲天线是在单个脉冲上同时提供对角误差敏感所需的波束， 同时比较各波束的输出，因此消除了回波幅度随时间变化的任何影响。这种技术 最初称为同时多波束，后来采用单脉冲这个术语。指的是在单独一个脉冲上得到 完整的角误差信号。“单脉冲天线”已成为这种跟踪天线的通用名词了。
E1 + E2 。所以 3 臂称为和臂；4 臂输出两信号的差值 E1 − E2 ，所以称为 差臂。 发射时：信号由 3 臂输入 E3 ，则 1、2 两臂输出等幅同相信号 E1 = E2 = E3 2 。此 时 4 臂隔离，无输出。 即有“对臂隔离邻臂分”之特性。
图 13-5 魔 T 结构图
由于馈源的每个喇叭收到的信号大小与目标的距离和方向有关。因此，它 们形成的和信号称为和方向图，差信号称为差方向图。包括方位差和俯仰差方向 图。和差波束的作用前面都提到了。即：
图 13-6 馈源的口径场分布
• 单脉冲天线系统辐射原理
图 13-7 单脉冲天线方向图
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五、比幅单脉冲馈源
单脉冲天线的特点是同时有三个波束，一个是距离和波束和两个角度差(方 位差和俯仰差)波束。与设计笔形波束的抛物面天线一样，设计单脉冲喇叭馈源 的抛物面天线时，同样关心的是如何设计抛物面天线的口径场，它直接影响天线 性能，包括主瓣宽度和副瓣电平、天线效率等。
单脉冲雷达体制系统，主要用于高速目标的跟踪定位。如飞机、导弹、火箭、 人造卫星的跟踪。单脉冲雷达系统中的天线称为单脉冲天线。单脉冲雷达天线要 求产生一个主瓣的和波束，以及具有两个(或四个)主瓣的差波束，如下图 13-1 所示。差波束的两个峰值之间的最小值称为“零值”。和波束的作用是探测目标 的距离(r)并进行距离跟踪；差波束的作用是探测目标的方位角和俯仰角信息 (ϕ ,θ )并进行角跟踪。一个目标的距离信息 r 和角信息ϕ ,θ 已知，则目标的空间 位置就确定了。如果目标正好在和波束最大值方向，则差波束接收到的信号很弱 (为零值)；当目标移动时，则差波束接收到的信号由弱变强，则可利用差信号来 驱动伺服机构，使天线在俯仰或方位上转动，始终使差波束的零值方向对准目标， 从而实现跟踪。
1. 比幅单脉冲天线的和、差矛盾
单独一个和波束的口径场控制方法是设计馈源的波瓣图，以获得反射面天线 边缘所需的照射电平。对于同时存在和、差波束的单脉冲天线，其目的和方法也 是相同的，即同时要对和、差波束馈源喇叭照射的反射面的三个波束都要获得较 理想的反射面边缘照射电平(或理想的口径场分布)。这实际上存在一定难度，或 存在一定矛盾。以四喇叭单脉冲馈源为例，如果顾及了和波束，使其能达到最佳 边缘照射电平，而差波束不一定好，其边缘照射电平可能只有约 0dB，而使约一 半功率漏失掉，如图 13-8 所示。这就是所谓的“和、差矛盾”。所以，与设计单 独一个笔形波束的反射面天线不同，设计单脉冲馈源往往是和、差矛盾的折衷选 择。