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经典雷达资料-第7章相控阵雷达天线

发布时间:2019-06-01 14:06 来源:未知 编辑:admin

  第 7 章 相控阵雷达天线 Theodore C. Cheston Joe Frank 7.1 引言 相控阵雷达 多功能雷达 早期的雷达系统采用由多个独立辐射器组成的阵列天线] 。天线的性能由各个辐射器的几何位置及其激励幅度和相位来决定。 随着雷达发 展到较短的波长,阵列天线就由较为简单的天线所代替,例如抛物反射面天线。对于现代雷 达的应用,电控移相器和开关的出现再次把人们的注意力吸引到阵列天线上。现在孔径激励 可以通过控制多个单元的相位来调制,从而产生电扫描的波束。本章将主要研究这种形式的 阵列。 快捷而精确地转换波束的能力使雷达能够在时间上交错地,甚至同时地完成多种功能。 电控阵列雷达可以跟踪多批目标,使用射频能量照射多个目标,并引导导弹飞向它们。通过 自动目标选择,完成全部半球空域的搜索,并转为跟踪。这种类型的雷达甚至可把高增益波 束指向远距离的接收机和发射机,从而传送信息,因而它还可以用做通信系统。实现这种完 美的灵活性是可能的。在总使用时间和所给定的范围内,搜索和跟踪率可以调整到最佳以适 应特定情况。通过改变天线波束宽度,可以实现用较小的增益更迅速地搜索某些区域。发射 频率随意在脉间改变,或者在脉内编码,都有可能使频率捷变。分布在孔径上的多部放大器 可以产生非常大的功率。电控阵列天线能够给雷达提供所需的灵活性,以最适应于特定任务 的方式完成各种不同的特殊功能,并能有效地在自动管理和控制能力范围内自适应地编排各 种功能。 20 世纪 60 年代,对相控阵理论的集中研究加深了人们对它的理解,到了 80 年代,随着 技术的发展,产生了一系列的实用系统,并发表了许多相应的文献 [4] ~[15]。在性能改善方面, 超低副瓣(小于- 40 dB)首先在 20 世纪 70 年代由原西屋电气公司的 AWACS(机载预警和 控制系统)实现,并引入了结构和相位配置方面的严格容差。更多更好的计算机模型和复杂 的测试设备(例如网络分析仪)的发明,导致了设计匹配的优良孔径的改进方法。现在出现 了更好的部件,如辐射单元、移相器和功分器。更为经济的固态器件和存储芯片已经保证了 随频率和温度变化而修正的精确孔径相位控制。固态微波器件在将固态模块与辐射单元结合 在一起的未来系统中大有前途。孔径控制、可靠性和效率也不断在改进。相控阵可实现自适 应控制,尤其可用于副瓣对消。这是个理论和认识已很深刻的领域。室内天线近场测试场方 面也已取得很大的进展 [16],在多个频率点上和扫描时的计算机控制的精确二维辐射方向图已 可推导出。第 7 章 相控阵雷达天线· 相控阵雷达是很昂贵的。但随着技术的发展,成本也在降低,尤其在移相器和驱动装置 方面是这样。然而,与此同时,具有较低副瓣和较宽带宽的较好性能的要求使得费用增高。 可以认为, 减少费用的巨大潜力在于, 应用每一个单元中含有发射 /接收模块构成的固态系统。 相控阵天线 阵列天线有一个由大量相同辐射单元(例如裂缝或偶极子)组成的孔径,每个单元在相 位和幅度上是独立控制的。能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。 由此处给出并将在以后还要详细讨论的一些简单公式,很容易得到一般平面阵的特性。 按间距 /2 排列单元( 为波长)以避免产生被称为栅瓣的多个波束。对笔形波束而言,辐射 单元个数 与波束宽度的关系为 2)( 00010 B N 或 N B 100 式中, 是以度为单位的 3 dB 波束宽度。当波束指向孔径法线方向时,相应的天线 式中, 计入由天线损耗 L 和由于单元不等加权带来的幅度分布不均匀而产生的增益下降 a。 当扫描到角度 0 时,平面阵列增益减少到与投影孔径相对应的值: 00 cos)( NG 同样,扫描波束宽度由法线波束宽度增加到(端射 0=90 附近除外) 0cos/)()( 法线扫描 BB 填满全空间的波束总数 (波束宽度为法线波束宽度且半功率点重叠)近似地等于增益, 当 ≈ 1,它与 的简单关系为 NM 在波束宽度随扫描角度变化的平面阵列中,实际上能够产生并填满全空间的波束数为 NM )2/( 由于宽带工作需要的是等路径长度而不是等相位, 所以用以 2 为周期的移相扫描时, 单 元并联馈电的天线阵列其带宽将受到限制(参见 7.8 节)。其极限如下式所示: )((%) 波束宽度带宽 这等效于带宽极限由下式给出: 孔径尺寸脉冲宽度 2 用上述标准,当频率在带宽内改变时,扫描的辐射方向图将被控偏移± 1/4 的 60 处的波束宽 度。如果带宽范围内的所有频率均等加权使用, 那么带宽允许增加一倍 (脉冲宽度减半) 。当 扫描角为 0 时,波束随频率的改变而扫描△ 角度,即 )rad(tan 0f f 对于较宽的带宽,必须引入时间延迟网络以补偿移相器。雷 达 手 册· 244· 共形阵列 [17][18] 相控阵可以按要求与曲面共形,例如,嵌装在飞机或导弹表面上。如果表面有大的曲率 半径,以至所有的辐射单元大体上指向同一方向,那么即使必须考虑单元的精确三维位置以 计算所需的相位,其特性与平面阵列是相似的。人们发现,用来覆盖 360 范围的圆柱体(或 球体)阵列只具有小的曲率半径。为此要对单元进行切换以断开波束方向偏离希望指向的部 分天线单元。此时,在匹配辐射单元和保持极化纯度上会遇到困难。这种几何形状迄今还没 有在雷达系统中使用过。 本章将集中讨论平面相控阵。 三维立体搜索 通过在方位和仰角两个方向上的电扫描可实现三维立体搜索;可以按照需要加强重要区 域(例如,地平线处)的搜索,使搜索更加频繁。因为通过反复的询问,目标易于被确认, 所以雷达可以用高于正常的虚警概率工作。相位控制可使波束展宽,例如,用来减少对仰角 较高的区域搜索的时间,因为该区域内所需的探测距离近,只需较小的天线增益。对为了覆 盖额外的区域, 可增加一个单独旋转的监视雷达系统 (工作在另一个频率上) ,这样可以把重 点放在跟踪上。 单脉冲跟踪 相控阵雷达很适合于单脉冲跟踪。阵列辐射单元以三种不同的方式组合以给出和波瓣以 及方位和俯仰上的差波瓣。在最佳幅度分布上,和差波瓣的要求之间存在着矛盾 [19] ,但是, 同采用其他天线系统一样,可以分别给予满足。和波瓣与差波瓣同时进行扫描。 在相控阵系统中,差波瓣零点给出良好的波束指向精度。在 60 扫描范围内,已测出的绝 对波束指向精度小于(扫描的)波束宽度的五十分之一 [20]。此精度受相位和幅度误差的限制。 由于采用的是移相装置而不是时延装置,当频率变化时,扫描波束的零点指向也发生改变,并 且当频率升高时波束向孔径侧射方向移动。 差波瓣的轴线幅度随频率的改变而线 的扫描角时, 这种变化从设计频率上的零值升到比和方向图在带宽的边缘频率上的幅度低 9 dB,这里的带宽是由带宽( %)等于波束宽度( )来确定的。相关内容将在 7.7 节中更 详细地讨论。 赋形波束 改变孔径分布可以使阵列辐射方向图被赋形。只用相位即可得出好的方向图近似。特别 是在孔径上应用球面相位分布或者用三角形相位分布来近似,可以获得波束的展宽。这种形 式的波束很容易形成,因而人们对此很感兴趣。它们可以用于系统的发射,在这种系统中, 接收天线有一簇同时存在的波束,或者如前面讨论的,它们可用于搜索系统,在较近的范围 内可减少角单元数目。 监控 电扫阵列由许多组成部分,其中包括激励移相器或使波束扫描的控制开关的电子电路。第 7 章 相控阵雷达天线· 这种阵列总的可靠性是十分好的;性能下降是逐渐的,当 10%部件失效时,所引起的增益损 失仅仅只有 1dB,但是副瓣会下降。然而天线的工作是复杂的,必须提供测试和监控电路。 在雷达控制系统中,作出波束指向某一特定方向的决定,这个方向通常用两个方向余弦来确 定。测试或监控电路应能确定各部件是否正常工作,其中包括所有波束指向的计算、电子激 励器和移相器或开关,以及它们的相互连接。应能经常指示天线系统在正常工作或者能够进 行正常工作。一种可能的方法是,对移相器进行编程使其聚焦在附近的监控器的探测器上, 并掠过它扫描 [21]。这将会产生与整个辐射方向图极为相似的结果,在此方向图中可对增益和 副瓣进行测量,并与前面的结果进行比较。也可以用这种线路来检测各单元及其移相器(和 激励器)的作用。每个单元的相位以某种低频连续轮回;由探测器接收到的这种调制的幅度 和相位直接与单元的相对幅度激励和相对相位设置有关 [22]。有人已提出过另一种与前面记录 的结果相比较的方法 [23] 。 孔径的配置 对于平面阵列,因孔径投影区的减少而导致增益损失及波束宽度的增大,使得面阵扫描 受到限制。因此扫描的实际极限值是在 60 ~ 70 范围之内。那么对半球覆盖而言,至少必须 有三个面阵孔径。对船上使用的天线,由于船的上下颠簸和左右摇晃,要求必须有比半球覆 盖更大的范围,所以至少要有四个平面阵列。天线 放置,以使船上中心部分的建 筑物不妨碍观察。一般来说,孔径应离垂直面向后倾斜一个角度以平衡扫描角。 图 7.1 图中的导弹巡洋舰只显示了四个相控阵天线中的两个( Litton 公司提供) 辐射单元 相控阵最常用的辐射器是偶极子、裂缝、开口波导(或小喇叭)和印刷电路“片” (最 初以其发明者命名, 称为 Collings 辐射器 [24] )。单元要足够小以适合阵列的几何尺寸, 因此把 单元限制在比 2/4 略大的面积中。此外,需要许多辐射器,所以辐射单元应是廉价的、可靠雷 达 手 册· 246· 的,且所有辐射单元性能都是一样的。 由于阵列中辐射器的阻抗和方向图主要是由阵列的几何形状决定 (参见 7.4 节),所以应 选择辐射单元来适合馈电系统及天线的机械需要。例如,如果辐射器由带状线移相器馈电, 那么带状线偶极子是合理的选择。如果用波导移相器,那么选择使用开口波导或裂缝则是方 便的。在较低的频率上,由于主要采用同轴部件,这时用偶极子作为辐射单元是有利的。接 地面通常放在并联偶极子阵列后面大约 /4 处,以使天线只在半球空域内形成波束。在较高 的频率上,通常用开口波导或裂缝。如果“片”辐射器的馈电与偶极子的馈电相类似,那么 使用片辐射器可以获得相当大的带宽(约 50%) [25]。 对于有限扫描的情况(例如小于 10 ),有可能使用高方向性辐射器,它在高度和宽度上 为几个波长。由于相隔几个波长的单元之间的互耦效应很小,因此,阵列中单元的方向图和 阻抗接近独立单元的方向图和阻抗。 必须选择单元以获得所需极化,通常是水平极化或垂直极化。下面将讨论圆极化的特殊 情况。 如果需要极化分集,或者需要阵列发射某一极化,而接收为与之相互垂直的或两者兼有 的极化,那么可以用正交偶极子及圆形或矩形辐射器。应用适当的馈电系统,这两种辐射单 元均能独立地提供垂直和水平极化,并且可以把它们组合起来,提供包括圆极化在内的任意 极化方式。这样,在辐射单元这一层就需要两套馈电系统或开关,因此这种极化分集大大增 加了系统的复杂性。 圆极化 从天线设计者的观点来看,虽然在大扫描角时的匹配会遇到困难,但是圆极化还是可能 的。扫描时将产生不希望的正交极化分量 [26] ,因此应采取一些措施来吸收此能量 [27]。在常规 的圆极化天线中,像带有圆极化馈源的抛物反射面,只能在部分主瓣得到很好的圆极化,而 在波瓣的其余部分却迅速恶化。 在平面阵天线中, 与极化有关的是阵列中各单元的波束宽度, 而不是阵列总的波束宽度。单元波束很宽,因此可以预期在宽的角度范围,包括主波束和副 瓣,能得到好的圆极化。 采用圆极化方式,接收单反射目标的反射信号需要一个与发射圆极化相反方向匹配的天 线。如果使用同一天线,那么,无法接收到单反射目标信号。采用这样的圆极化系统可以得 到雨滴回波抑制的度量 [28],在理想情况下,抑制总量可达到如下数值: (dB))1/()1lg(20 22 ee 式中, e 为电压椭圆率。 Raytheon 反射阵(参见 7.8 节)的早期模型,给出了扫描到 30 时, 椭圆率小于 1.5 dB 的结果,相当于理论上对雨滴抑制至少有 15 dB 。同时,飞行目标的典型 损失大约为 3 dB,雨滴抑制相对净提高 12 dB。 超宽带相控阵 具有在很宽的带宽内改变频率能力的雷达系统的优点是,能有效地使其发射适应下列各 种因素:与频率相关的多路径传播特性、目标响应、环境条件、有意或无意干扰等。此外, 超宽带处理能提供精细的距离分辨力。 相控阵工作于很宽的带宽是可能的。某些铁氧体移相器工作范围有二个倍频程 [29] ,转换第 7 章 相控阵雷达天线· 线长度的数字式二极管移相器甚至可运用在更宽的带宽内。频带高端受到单元的实际尺寸限 制,因为阵列中单元必须排得足够近,以避免产生栅瓣。对于宽的瞬时带宽(不是可调谐带 宽),必须加入时延以防止频率改变时引起波束扫描。 在孔径上,辐射元的阻抗(各单元紧密排列)大体上与频率无关,但是单元必须在带宽 范围内匹配。为达到这一目的,而又在扫描时不产生有害的表面波是困难的,然而,对扫描 ±60 在倍频带宽内匹配是可能的。 有限扫描 [30] 如果扫描被限制在小角度范围,就有可能变得相当简单。有源移相器控制的总数可减少 到与波束数大致相等。可以组成子阵列,每个只有一个相位控制,其尺寸应能使其波束宽度 覆盖所有的扫描角。另一种方法是,把小相控阵放置在大反射器的焦点区域,从而使反射器 的窄波束在有限的扫描角度范围内扫描。 阵列的扫描 相位扫描 天线波束指向与相位波前相垂直的方向。在相控阵中,通过分别控制每个辐射元激励的 相位来调整这个相位波前,从而控制波束,如图 7.2(a)所示。移相器由电子驱动来满足快 速扫描的要求,并能在 0~ 之间调整相位。如果单元间距为 s,当扫描角为 0 时,相邻单 元之间的相移增量为 ( )s sin 0。 如果相位 不随频率变化,则扫描角 0 与频率有关。 图 7.2 扫描波束的产生: (a)相控阵列; ( b)时延阵列;(c)频扫阵列; ( d)Blass 型阵列 时延扫描 相位扫描对频率很敏感,时延扫描则与频率无关。如图 7.2(b)所示,可采用延迟线在 单元之间提供一个延迟增量 t=(s/c)sin 0 来代替移相器,式中 c 是传播速度。单独的时延电路雷 达 手 册· 248· (参见 7.7 节)通常太复杂,以致无法加到每一个辐射元上。而给一组各自带有移相器的单 元加上一个时延网络就能合理地兼顾各方面的要求了。 频率扫描 [31] 可以利用相位扫描的频率敏感特性,使频率成为更有效的参数。图 7.2(c)示出这种排 列。在某一特定频率,所有的辐射器都同相。当频率改变时,由于孔径上的相位线性偏移而 使波束扫描。频扫系统相对要简单和便宜些。频扫系统已经得到发展和使用,过去它与机械 水平旋转的雷达相结合,为三坐标雷达提供高度角扫描。本手册第一版中有一章曾讨论了这 种方法, 但从那时起越来越不引起人们的注意。 因为一般认为, 频率是一个十分重要的参数, 不能只把它用于扫描。 中频扫描 对接收来讲,每个辐射元的输出均可以差拍(混频)到中频频率,于是所有不同的扫描 方法都可能实现, 包括后面叙述的波束开关系统, 它能在中频实现, 而中频放大器容易实现, 并可应用集总参数电路。 数字波束形成 [32]~[34] 对接收而言,每个辐射元的输出可以加以放大和数字化。于是信号就能送到计算机中处 理,这里包括多波束同时形成(用合适的孔径照射加权形成)和为避免有意或无意干扰而自 适应得出波瓣零点。是否能获得相应的模数( A /D)转换器和它的价格以及它的频率和动态 范围特性均对应用造成了限制。只在子阵这一级上数字化部分是可以实现的。 波束开关 适当设计的透镜和反射面,在其聚焦平面的馈源可形成许多独立波束。每个波束大体 上都有整个天线的增益和波束宽度, Allen [35] 已经指出,有些有效的等效传输网络,利用定 向耦合器可以有同样的聚焦特性。以 Blass [36]命名的典型形式如图 7.2(d)所示。调整几何 尺寸可以提供相等的路径长度,从而提供与频率无关的时延扫描。另一种提供宽带多波束 的结构是使用平行金属板,这组平行板包含一个宽角微波透镜 [37][38] (Gent, Rotman )。每一 端口对应一个独立波束。透镜为孔径提供合适的时间延迟,给出随频率不变的扫描。可通 过开关矩阵选择波束,这个矩阵需要 (M-1)个单刀双掷( SPDT)开关,以选择 M 个波束 中的一个。这些波束在空间上是固定的,并且大约在 4 dB 处重叠。这与前面所讨论的扫描 方法大不相同,前述方法可使波束精确地控制到任一位置。所有波束都位于同一平面内。 系统可与天线的机械旋转结合起来,为三维空域提供垂直开关扫描。在两个平面内切换波 束的系统将复杂得多。 同时多波束 为替代前文所述的开关波束,可以将所有波束与独立的接收机相连接,提供同时接收多 波束。发射机的辐射方向图必须很宽以覆盖所有的接收波束。这种多波束系统已与机械旋转 相结合在三坐标雷达上得到应用。第 7 章 相控阵雷达天线· 独立控制多波束 通过修正孔径上的幅度和相位, 可以用单个波束形成器产生独立多波束。 例如, 如图 7.3 所示,产生两个独立波束。两个波束有相同的幅度(电压)分布 F(x),但是有不同倾斜的线 性相位波前。两个波束总的孔径激励为 )/)(j( 21 )/(2j)/(2j 2121 e)cos()(2e)(e)(),( axaxax a xxFxFxFxF 图 7.3 双波束的孔径分布 这就是说,为产生两个独立波束所需的孔径幅度分布是按余弦变化的。而相位分布是线 性的,并且具有平均倾斜度。 在大多数相控阵系统中,只有相位能够控制。通过添加各种需要的移相器设置(模 2 ), 不考虑所需的幅度变化,仍能得出适于形成多波束的良好近似。在两个波束的情况下,孔径 相位斜率有平均的倾斜度,且周期性地从 0~ 变化。 应当注意, 当在同一通道中接收或发射多波瓣的辐射方向图时, 增益要在各波瓣间分配。 然而当波束包含在独立的(波束形成)通道中时,每个通道都有孔径的全部增益。 垂直扫描 如果不需要包括火力控制这样的多种功能,那么相控阵系统就可能大大简化。火控要求 波束必须能随时指向任意指定的方向。若阵列只在垂直平面扫描,并且通过机械旋转提供方 位上的扫描,则相位控制点数就会减少到水平的行数。在舰船监视雷达上,天线应当设置得 尽可能高, 以避免被上层结构遮挡。 由于用电子控制波束即可达到稳定, 因而基座不必稳定。 扫描形式可以是相位扫描或波束开关,也可在接收中使用同时多波束,发射中使用宽天线方 向图。许多这种类型的系统已在海上和陆上得到应用(参见 7.11 节)。雷 达 手 册· 250· 7.2 阵列理论 二元阵 图 7.4 示出两个间距为 s,等幅同相激励的各向同性单元。 输入单位功率时, 它们的电场 矢量作为 的函数在远区相加。其矢量和即是辐射方向图。 sin)2/)(/2j(sin)2/)(/2j( ee 2 1)( ss aE 式中, 是从法线方向算起的角度。按 = 0 所给定的幅度将上式归一化和简化可得: sincos)( sEa (7.1) 图 7.4 中 Ea( )是作为 (s/ )sin 的函数绘制而成的。 若按 的变化而绘制, 波瓣将会随 的增加而加宽。主瓣出现在 sin =0 处。其他的波瓣具有与主瓣相同的幅度,并且通常称 做栅瓣。栅瓣出现的角度由 sin = [m/(s/ )] 决定,其中 m 是整数。对于由 - 90

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