深入解讀相控陣與陣列天線

2021-12-27 電子工程專輯

相控陣雷達最大的優點是能夠智能的實現大空域內的波束掃描，增益也較大，能夠對觀察範圍內的目標進行準確跟蹤、識別，並且能同時跟蹤多個目標的動態，反饋信息，進行計算機的分析。
 
相控陣雷達可以在設定的空域內獲取目標信息，根據目標，快速靈活地改變天線波束和指向形狀，能夠對整個空間內的各頻段電磁波進行發送和接收，這是相控陣天線的空域濾波功能，即可對多個目標實現搜索、跟蹤、捕獲、識別等任務的精確完成。
 
一、機械掃描與電掃描
 
波束掃描方式不同
 
相控陣天線的發展以相控陣雷達為基礎，相控陣雷達是20世紀60年代發展起來的一種電掃描式雷達，改進了之前的機械掃描式雷達。
 
1. 機械掃描式雷達是通過轉動雷達天線實現波束掃描。
 
2. 電掃描式雷達則是通過控制天線陣元饋電方法靈活控制波束指向。
 
換句話說，相控陣天線的波束圖變化是通過計算機控制的，它的天線參數會隨著波束掃描角的變化而變化，此外相控陣天線的結構參數也會影響天線的波束方向圖形狀，（陣元間距、陣元排列形式，饋電系統等參數）
 
AN/FPS-115
 
「鋪路爪」相控陣雷達，是上世紀70年代研製出來的遠程預警雷達。即使是今天，5000+公裡的探測距離也是相當不錯的。
 
AN/FPS-115 「鋪路爪」 雷達
 
它是由兩個平面陣組成，兩個圓形無線陣面彼此成60度，每個陣面後傾20度，直徑約30米，由2000個陣元組成。掃描一次所需時間為6秒，平均無故障工作時間可達450小時。用來探測彈道飛彈，測試各個參數，如速度、位置、發射和著落點等，可以覆蓋240°的方位角以及3°~85°的高低仰角，探測距離一般為4800公裡，對高彈道、雷達截面為10平方米的潛射彈道飛彈的探測距離可達5550公裡。
 

 
二、陣列天線分類
 
陣元排列結構
 
1. 線陣
2. 面陣
3. 圓形陣
4. 共面陣

性能分類
1. 一般陣列
2. 自適應陣
3. 相控陣
4. 信號處理陣列

相控陣
1. 無源相控陣雷達的天線不能產生雷達波，它的多個陣元共同使用一個發射機、接收機。

2. 有源相控陣雷達的每個天線陣元均採用獨立的T/R模塊，且每個組件都能發送和產生高頻電磁能量。（在功率、效率、波束控制、測量精確度等方面有較大優勢，並且重量輕於無源相控陣，但造價要明顯高）
有源& 無源
 
有源陣列
 
每個陣元採用獨立T/R模塊

 
無源陣列
 
多個陣元公用一個T/R

 
三、饋電結構
 
饋電結構
 
通過饋電網絡來激勵陣元復電流，從而控制波束指向和形狀。下面介紹兩種饋電結構：傳輸線饋電，三維空間饋電，多波束陣列饋電。
 
傳輸線饋電

 
這種傳輸線饋電是等線長的。

 為陣列天線提供等相位信號分布。
 
空間三維饋電

 
初級饋源輻射出的電磁波經透鏡控制陣列得到相位激勵（空間透鏡）

 
空間透鏡反射陣，兩圖波前的方向不同；透鏡具有相移功能。
 
多波束陣列饋電

 
「矩陣饋電」，移相器是非常關鍵的部件，對天線的相位變化起決定性作用，屬於——相控陣天線，國內研製較多。

 
「透鏡饋電」的一個同時多波束天線，饋電原理，利用大量的準光學技術代替移相器。饋電網絡在整個波束系統內通過微帶實現。屬於多波束天線。
 
四、陣列天線的基本參量
 
基本參量
 
1. 輻射圖：天線輻射功率在空間中相對分布隨方向變化的圖。（主E面輻射圖包含輻射場最大值和電場矢量E，主H面輻射圖內包含最大輻射值和磁場矢量H。）
 
2. 方向性：表徵天線輻射電磁場能量在空間分布情況的性能參量。（方向性函數是「單位立體角內的輻射功率」和「單位立體角內的平均輻射功率」比的函數。也可用場強方向圖、極化方向圖以及相位方向圖來描述）
 
3. 增益：（單位立體角內的輻射功率與輸入輻射功率比值的函數）
 
4. 帶寬：陣列天線的帶寬取決於陣元形式、陣元間距、饋電電流的幅度及相位等因素。
 
（絕對帶寬用頻率範圍表示；相對帶寬用相對於中心頻率的百分比表示；）
窄帶天線指（相對帶寬小於10%），天線性能會隨頻率變化而變化，例如微帶天線，喇叭天線等；
寬帶天線指（相對帶寬大於10%小於30%），天線頻率改變不會對性能指標產生很大的影響，如對數周期，錐形天線等。
超寬帶天線（相對帶寬大於30%）
5. 波瓣寬度：天線方向圖的主瓣寬度。
 
6. 旁瓣：主瓣之外的輻射波瓣成為旁瓣。高旁瓣會引入雜波，降低天線的接受性能。
 
7. 柵瓣：除主瓣以外的其他掃描範圍內出現了（由於輻射場同相疊加形成的波瓣）。對於固定頻率，陣列天線陣元間距過大，會導致柵瓣形成，佔據天線輻射能量，影響天線增益和效率。
 
主瓣&旁瓣&柵瓣

 
主瓣是天線的最大輻射方向；
高旁瓣會引入雜波，影響接受效率；
柵瓣會佔據天線輻射能量，影響天線增益和效率。
等間距陣列天線&柵瓣

 
其中
當n=0時，θ= θB陣列天線不會出現柵瓣；
當n≥1時，將在除θB方向外，出現柵瓣；
 
5、技術結合&應用
 
技術結合
隨著，相控陣雷達處理頻段提高到射頻以後，它已經結合了許多技術。比如波束掃描、超低旁瓣、波束自適應置零等。
 
應用
除地面建築物，它還可以應用在艦載、機載、星載等多個平臺中，在推出和應用多功能有源相控陣雷達之後，也加強了國防、艦載、機載及星載預警系統等軍用防衛能力，也在衛星通信、氣象水文、地球勘探、生物醫學等民用領域得到廣泛使用，未來還會有更多的應用。

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  • 第三講 數字陣列雷達
    第一處在N與波速寬度的關係中，係數為0.886，原來的PPT筆誤了部分寫成了0.866;第二處是當相控陣天線掃描角度增加時，其半功率波束寬度是增大的，不是減小的，曲老師口誤加筆誤了！非常感謝！我在未來的課程製作中，將更加注意這方面的披露，不斷提升每堂課的質量。
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    > 有源相控陣雷達，是相對於無源相控陣雷達而言的，兩者都是相控陣雷達的一種。所謂相控陣雷達，是指採用了相控陣體制的雷達，即通過改變陣列天線中每一個天線產生電磁波的相位與幅度，以此強化電磁波在指定方向上的強度，並壓抑其他方向的強度，從而實現天線陣列無需機械轉動，就能實現波束掃描。相比於傳統的機械掃描雷達而言，相控陣雷達無需機械轉動，具有掃描周期短、可靠性高、安裝簡便、多目標追蹤能力強等眾多優點，現已成為各國雷達主流發展方向之一。
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