《相控阵雷达天线的工作原理与应用》
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[摘 要]本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的工作原理,并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点.最后举例说明了相控阵雷达天线的应用.
[关键词]相控阵；相位差；天线
中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）03-0380-01
一、引言
相控阵雷达现已被人们视为现代科技的标志物.各国对此相当重视,将其列为机密科研项目之一.但就是这样一个被视为现代科技的标志物的原理却不那么深奥,它仅仅是一个电磁波发射和接受的装置.它所应用的高技术,始终是波产生和接收这两个环节展开的.传统雷达对区域进行探测时是通过机械转动其天線,形成波来扫描,这种扫描的周期较长（几秒～几十秒）,且扫描速度慢,因而机械扫描无法实现对高速飞行物的跟踪探测.而相控阵雷达的天线无物理运动,故其波束扫描的速度和方向均可以敏捷地调节.
二、相控阵雷达的工作原理
相控阵天线由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器.基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后,根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量,然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程.由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差,所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大.一旦信号方向发生变化,只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化,从而实现波束扫描和跟踪.
相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用,它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地调整.相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线阵.通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线.控制相位可以改变天线方向图最大值的指向,以达到波速扫描的目的.在特殊情况下,也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状.用机械方法旋转天线时,惯性大、速度慢,相控阵天线克服了这已缺点,波速的扫描高.它的馈电相一般用电子计算机控制,相位变化速度快,即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速.这是相控阵天线的最大特点.
一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制.为了节省移相器和简化控制线路,有时几个辐射单元共用一个移相器.相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元.移相器分连续式移相器和数字式移相器两种.连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化,数字式移相器的移相值是离散的,只能是360×（1/2）^n的整数倍,移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值.天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小,以保证发射机正常工作,防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点的现象.相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种.在传输线馈电方式下,射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元.在空间馈电方式下,发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间,传输一段距离后由一个接收阵接收,接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号,经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去.
相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计.阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定.相位分布主要根据波束要求而定.由于单元方向图和阻抗的限制,通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥,加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描.若仅要求方向图最大值在空间移动,只需要形成线性变化的相位分布.这时方向图的最大值方向垂直于等相位面.在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣,其大小与具体的相位分布规律有关.为了满足特殊要求,则需要采用方向图综合法,事先算出所需的阵面相位分布.为了简化馈电结构,有些相控阵天线是等幅度的.为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点,可采用密度加权.雷达中使用相控阵天线后,波束控制灵活性显著提高,故可制成多功能雷达,使一部雷达起几部常规雷达的作用.
三、相控阵雷达的应用优势
相控阵雷达已广泛应用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、炮位测量、靶场测量等领域.美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达和俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是世界上较为先进的相控阵雷达.
传统雷达通常采用反射面式天线,它将发射机产生的电磁能量辐射到大气中,形成一个很窄的波束.而相控阵雷达的天线较之传统雷达却是大不相同.它不是一个天线,而是几百到几千个天线单元,它们有规则地排列在阵面上,构成阵列天线,每一个天线单元都与一个发射接收组件相连,组成一个独立的、具有信号放大、发射和接收能力的辐射器.
此外,相控阵雷达又分为有源相控阵雷达和无源相控阵雷达两类,无源相控阵雷达仅有一个发射机和一个接收机,发射机产生的高频能量,经计算机自动分配给天线阵的各个单元,目标反射信号也是经各个天线单元送到接收机统一放大.有源相控阵雷达的每个天线单元都配装有一个发射接收组件,每一个组件都能自己发射和接收电磁波.有源相控阵雷达还拥有一个关键的器件,就是每个辐射器后面都有移相器,它利用计算机控制,可以通过相位变化来改变波束的发射方向,这种方法被称为电扫描.
在其功能方面,相控阵雷达较之传统雷达,主要有以下五个优点.第一,波束指向灵活,能实现无惯性快速扫描,扫描数据率高；第二,单个雷达可同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；第三,目标容量大,可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；第四,对复杂目标环境的适应能力强；第五,抗干扰性能好.全固态相控阵雷达的可靠性高,即使少量组件失效仍能正常工作.
四、结束语
相控阵雷达在军用领域运用方面取得了重大突破.这不但是一项具有革命意义的军事技术创新,同时也将带来未来作战方式的改变,并为新的战术战法创造了巨大的想像和发展空间.在未来无论是军事斗争上还是民用事业上,相控阵雷达必定发挥它特有的技术优势.
参考文献
[1]杨世海；相控阵雷达低空目标探测与跟踪技术研究[D]；中国人民解放军国防科学技术大学；2002年
[2]杨志群；天波超视距雷达信号处理方法研究[D]；南京理工大学；2003年
[3]周文辉；相控阵雷达及组网跟踪系统资源管理技术研究[D]；国防科学技术大学；2004年
作者简介
谢振武（1981.12-）安徽阜阳人,助理工程师,主要从事雷达发射系统设计研究.
上文总结:上文是一篇关于相控阵雷达方面的大学硕士和本科毕业论文以及相控阵雷达和工作原理和天线相关相控阵雷达论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
相控阵雷达引用文献:
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