0 写在前面
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。
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