(六)MIT公开课雷达系统导论之雷达天线

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人生就像奕棋，一步失误，全盘皆输。——弗洛伊德

Focus:

1 天线简介

天线：辐射或接收无线电波的装置。辐射的电磁波由电场和磁场组成，电场和磁场共同满足麦克斯韦方程。

天线特性：在某些方向上增强辐射，在其他方向上抑制辐射；专为定向性和最大能量传输而设计。

2 天线基础

辐射：偶极子由振荡源驱动。

天线增益：辐射相同的功率；辐射强度是球体上的功率密度（瓦特/标准辐射度）；增益是相对于各向同性源的辐射强度。

天线模式：模式是增益与角度的关系图。偶极子为例：

天线模式特性：抛物面反射天线与方向图增益如下所示。孔径D:5米；频率：300兆赫；波长：1米。增益：24 dBi

各向同性旁瓣电平：6 dBi旁瓣电平：18 dB半功率波束宽度：12度。

孔径大小对增益的影响：随着孔径在电学上变大，增益增加（直径是指较大数量的波长）。

Reflector Comparison Kwajalein Missile Range Example：

极化：由电场矢量在时间上传播时的行为定义。

圆极化：“轻便性”是通过沿传播方向观察电场来定义的，用于区分、极化多样性、雨水缓解（rain mitigation）。

场域：近场：能量储存在天线附近近场天线数量。需要考虑：输入阻抗；相互耦合。远场：全功率辐射出去；辐射波为平面波。需要考虑：天线形状；增益和方向性；极化；目标RCS。

天线输入阻抗：天线可以建模为阻抗；馈电端口的电压与电流之比。设计天线，最大限度地提高传输线的功率传输

；入射功率的反射产生驻波；输入阻抗通常定义天线带宽。

3 反射面天线

抛物面天线：设计是在最大化碟形照明和限制溢出之间进行权衡；馈电天线的选择至关重要。

卡塞格伦(Cassegrain)反射天线：其几何结构与光线轨迹如下所示。

ALTAIR：双频；甚高频抛物面；超高频卡塞格伦；用于反射器的FSS（频率选择表面）。

4 相控阵天线

相控阵天线：组合多个天线，增强辐射和形状。

两天线辐射：由振荡源驱动（同相）。

天线控制：几何配置：线性、矩形、三角形、圆形网格；元素分离；移相器；激励振幅，用于旁瓣控制；单个模式

元素：各向同性、偶极子等。

增加阵元来增大天线尺寸：线性宽边阵列各向同性元素λ/2分离，无移相器。长宽边阵列增益~2N（d/λ）。

栅瓣：将元件分离限制为d<λ以防止用于宽边阵列的光栅波瓣。

栅瓣：元件分离d<λ/2时无光栅波瓣，对于无光栅波瓣的长端射阵列，增益~4N（d/λ）~4L/λ。

波束宽度：随扫瞄角的增大而展宽。

平面阵：当扫描到外侧\theta_0时，波束宽度加宽1/\cos \theta_0，方向性降低\cos \theta_0。为了在没有光栅波瓣的情况下扫描所有空间，保持阵元间距d<λ/2。

互耦作用：有时可以利用相互耦合来达到某些性能要求。

• 一个阵元对另一个阵元的影响：近场数量(Near-field quantity)，使输入阻抗取决于扫描角度。
• 会影响阵列设计：很难将天线功率辐射到所有方向；再没有辐射的方向形成盲区。
• 可以限制扫描量和阵列带宽。

相控阵与反射面对比：相控阵提供波束灵活性和灵活性。有效的多样性资源管理（多功能）；几乎同时跟踪整个视野。对于相同的功率孔径，相控阵比反射器要贵得多：需要360度覆盖可能需要3或4个填充阵列面；更大的组件成本；较长的设计时间。

5 总结讨论

讨论了天线的基本参数和阵列内容包含：辐射增益、方向图、旁瓣、波束宽度、极化、远场、输入阻抗、阵列波束形成、阵列相互耦合。反射天线为雷达提供了一种相对便宜的实现高增益的方法：抛物面反射器和卡塞格伦反馈器。相控阵天线在使用中提供波束灵活性和灵活性——但比反射天线贵得多。

6 参考文献

[1] 百度翻译

[2] MIT 公开课：Introduction to Radar Systems。