(九)MIT公开课雷达系统工程之雷达天线(上)

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在茫茫沙漠，唯有前时进的脚步才是期望的象征。

雷达天线会分两节内容介绍，本节介绍天线基本概念和机械扫描模式，下节介绍电扫和混合模式天线。

1 基本介绍

天线功能与雷达方程：天线是发射或接收无线电波的装置，辐射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；将微波辐射直接指向所需方向，抑制其他方向；设计用于最佳增益（方向性）和发射或接收过程中的最小能量损失。

雷达天线有多种尺寸和形状：

2 天线基础

2.1 基本概念

天线类型树：

电磁场的产生与计算方法：辐射机制：辐射是由电荷加速或时变电流产生的；加速度由外力引起瞬态（脉冲）；时间谐波源（振荡电荷）。电磁波是通过对天线/目标上的源电流进行积分(integrating source currents)来计算的：导体上的电流或孔隙上的磁电流（横向电场）。可以使用数值技术对源电流进行建模和计算：(e.g. Method of Moments, Finite Difference-Time Domain Methods)。

天线和雷达截面分析使用“相量表示”(Phasor Representation):通过傅立叶分析，任何时间变化都可以表示为谐波解的叠。

2.2 场区域

辐射区域：近场球面波，远场平面波。

场区域：

远场电磁波特性：在远场中，球面波可以近似为平面波；远场中没有径向场分量。

2.3 电磁场方程

自由空间传播：大多数电磁波是由局部源产生的，并以球面波的形式扩展到自由空间；在远场中，当与源的距离很大时，当它们撞击目标并将能量散射回雷达时，它们可以很好地被平面波近似。

电磁波的传输模式：Transverse electromagnetic (TEM) mode；Transverse electric (TE) mode；Transverse magnetic (TM) mode；Hybrid transmission modes。

指向矢量-功率密度：

辐射强度和辐射功率：

2.4 极化

天线极化：由沿辐射方向观察到的电场矢量在时间上传播时的行为定义；圆极化用于天气变化情况；水平极化用于远程空中搜索的水平搜索，以获得地面反射直接辐射。

极化：

圆极化：

2.5 方向性与增益

天线增益：天线在给定方向上的辐射强度高于各向同性源的辐射强度。

方向性和增益：

Example – Half Wavelength Dipole：

2.6 天线输入阻抗

天线输入阻抗1：

天线输入阻抗2：

3 反射天线-机械扫描

3.1 基本天线特性和几何结构

天线方向图特性：

抛物面反射器天线：反射器天线设计涉及最大化碟形照明，同时限制馈电及其支撑结构的溢出和阻塞之间的权衡；馈电天线的选择至关重要。

孔径大小对增益的影响：孔径变大，增益增加。

孔径大小对波束宽度的影响：Beamwidth decreases as aperture becomes electrically larger。

抛物面反射器天线：

不同类型的雷达波束：

Reflector Comparison Kwajalein Missile Range Example：

3. 2 溢出和堵塞(Spillover and Blockage)

Antenna Spillover:

Effect of Aperture Blocking in a Parabolic Reflector Antenna:

Examples of Antenna Blockage:

3.3 Aperture Illumination

线源天线辐射方向图:

线源分布对天线方向图影响：

线源的天线方向图对比：

Illumination of Two-Dimensional Apertures：

Uniformly Illuminated Circular Aperture：

Radiation Pattern Characteristics for Various Aperture Distributions：

Taper Efficiency, Spillover, Blockage, and Total Loss vs. Feed Pattern Edge Taper：Reflector Design is a Tradeoff of Aperture Illumination (Taper) Efficiency, Spillover and Feed Blockage。

3.4 不同的反射器馈电和反射器几何结构

反射天线馈电喇叭：

卡塞格伦反射天线：

卡塞格伦馈源的优点：较低的波导损耗，因为馈电不在抛物面的焦点处，而是在碟形天线附近。天线噪声温度低于抛物面焦点处的传统馈电。从天线馈电到接收器的波导长度更短。馈源溢出的旁瓣看到的是更冷的天空，而不是更温暖的地表(Sidelobe spillover from feed see colder sky rather than warmer earth)。单脉冲跟踪的最佳选择：复杂的单脉冲微波管道可以放置在反射器后面，以避免孔径阻塞的影响。

ALTAIR- Example of Cassegrain Feed：