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陣列天線&相控陣

2017-05-22 來源:上海墨石 字號:

它最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠智能的實(shí)現(xiàn)大空域內(nèi)的波束掃描,增益也較大,能夠?qū)τ^察范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤、識別,并且能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)的動態(tài),反饋信息,進(jìn)行計(jì)算機(jī)的分析。

它可以在設(shè)定的空域內(nèi)獲取目標(biāo)信息,根據(jù)目標(biāo),快速靈活地改變天線波束和指向形狀,能夠?qū)φ麄€(gè)空間內(nèi)的各頻段電磁波進(jìn)行發(fā)送和接收,這是相控陣天線的空域?yàn)V波功能,即可對多個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤、捕獲、識別等任務(wù)的精確完成。

一、機(jī)械掃描與電掃描

波束掃描方式不同

相控陣天線的發(fā)展以相控陣?yán)走_(dá)為基礎(chǔ),相控陣?yán)走_(dá)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種電掃描式雷達(dá),改進(jìn)了之前的機(jī)械掃描式雷達(dá)。

1. 機(jī)械掃描式雷達(dá)是通過轉(zhuǎn)動雷達(dá)天線實(shí)現(xiàn)波束掃描。

2. 電掃描式雷達(dá)則是通過控制天線陣元饋電方法靈活控制波束指向。

換句話說,相控陣天線的波束圖變化是通過計(jì)算機(jī)控制的,它的天線參數(shù)會隨著波束掃描角的變化而變化,此外相控陣天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會影響天線的波束方向圖形狀,(陣元間距、陣元排列形式,饋電系統(tǒng)等參數(shù))

AN/FPS-115

“鋪路爪”相控陣?yán)走_(dá),是上世紀(jì)70年代研制出來的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)。即使是今天,5000+公里的探測距離也是相當(dāng)不錯(cuò)的。

AN/FPS-115 “鋪路爪” 雷達(dá)

它是由兩個(gè)平面陣組成,兩個(gè)圓形無線陣面彼此成60度,每個(gè)陣面后傾20度,直徑約30米,由2000個(gè)陣元組成。掃描一次所需時(shí)間為6秒,平均無故障工作時(shí)間可達(dá)450小時(shí)。用來探測彈道導(dǎo)彈,測試各個(gè)參數(shù),如速度、位置、發(fā)射和著落點(diǎn)等,可以覆蓋240°的方位角以及3°~85°的高低仰角,探測距離一般為4800公里,對高彈道、雷達(dá)截面為10平方米的潛射彈道導(dǎo)彈的探測距離可達(dá)5550公里。

二、陣列天線分類

陣元排列結(jié)構(gòu)

1. 線陣
2. 面陣
3. 圓形陣
4. 共面陣

性能分類

1. 一般陣列
2. 自適應(yīng)陣
3. 相控陣
4. 信號處理陣列

相控陣

1. 無源相控陣?yán)走_(dá)的天線不能產(chǎn)生雷達(dá)波,它的多個(gè)陣元共同使用一個(gè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)。
2. 有源相控陣?yán)走_(dá)的每個(gè)天線陣元均采用獨(dú)立的T/R模塊,且每個(gè)組件都能發(fā)送和產(chǎn)生高頻電磁能量。(在功率、效率、波束控制、測量精確度等方面有較大優(yōu)勢,并且重量輕于無源相控陣,但造價(jià)要明顯高)

有源& 無源

有源陣列

每個(gè)陣元采用獨(dú)立T/R模塊

無源陣列

多個(gè)陣元公用一個(gè)T/R

三、饋電結(jié)構(gòu)

饋電結(jié)構(gòu)

通過饋電網(wǎng)絡(luò)來激勵(lì)陣元復(fù)電流,從而控制波束指向和形狀。下面介紹兩種饋電結(jié)構(gòu):傳輸線饋電,三維空間饋電,多波束陣列饋電。

傳輸線饋電

這種傳輸線饋電是等線長的。

為陣列天線提供等相位信號分布。

空間三維饋電

初級饋源輻射出的電磁波經(jīng)透鏡控制陣列得到相位激勵(lì)(空間透鏡)

空間透鏡反射陣,兩圖波前的方向不同;透鏡具有相移功能。

多波束陣列饋電

“矩陣饋電”,移相器是非常關(guān)鍵的部件,對天線的相位變化起決定性作用,屬于——相控陣天線,國內(nèi)研制較多。

“透鏡饋電”的一個(gè)同時(shí)多波束天線,饋電原理,利用大量的準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)代替移相器。饋電網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)波束系統(tǒng)內(nèi)通過微帶實(shí)現(xiàn)。屬于多波束天線。

四、陣列天線的基本參量

基本參量

1. 輻射圖:天線輻射功率在空間中相對分布隨方向變化的圖。(主E面輻射圖包含輻射場最大值和電場矢量E,主H面輻射圖內(nèi)包含最大輻射值和磁場矢量H。)

2. 方向性:表征天線輻射電磁場能量在空間分布情況的性能參量。(方向性函數(shù)是“單位立體角內(nèi)的輻射功率”和“單位立體角內(nèi)的平均輻射功率”比的函數(shù)。也可用場強(qiáng)方向圖、極化方向圖以及相位方向圖來描述)

3. 增益:(單位立體角內(nèi)的輻射功率與輸入輻射功率比值的函數(shù))

4. 帶寬:陣列天線的帶寬取決于陣元形式、陣元間距、饋電電流的幅度及相位等因素。

(絕對帶寬用頻率范圍表示;相對帶寬用相對于中心頻率的百分比表示;)
窄帶天線指(相對帶寬小于10%),天線性能會隨頻率變化而變化,例如微帶天線,喇叭天線等;
寬帶天線指(相對帶寬大于10%小于30%),天線頻率改變不會對性能指標(biāo)產(chǎn)生很大的影響,如對數(shù)周期,錐形天線等。
超寬帶天線(相對帶寬大于30%)

5. 波瓣寬度:天線方向圖的主瓣寬度。

6. 旁瓣:主瓣之外的輻射波瓣成為旁瓣。高旁瓣會引入雜波,降低天線的接受性能。

7. 柵瓣:除主瓣以外的其他掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)了(由于輻射場同相疊加形成的波瓣)。對于固定頻率,陣列天線陣元間距過大,會導(dǎo)致柵瓣形成,占據(jù)天線輻射能量,影響天線增益和效率。

主瓣&旁瓣&柵瓣

主瓣是天線的最大輻射方向;
高旁瓣會引入雜波,影響接受效率;
柵瓣會占據(jù)天線輻射能量,影響天線增益和效率。

等間距陣列天線&柵瓣

其中
當(dāng)n=0時(shí),θ= θB陣列天線不會出現(xiàn)柵瓣;
當(dāng)n≥1時(shí),將在除θB方向外,出現(xiàn)柵瓣;

5、技術(shù)結(jié)合&應(yīng)用

技術(shù)結(jié)合

隨著,相控陣?yán)走_(dá)處理頻段提高到射頻以后,它已經(jīng)結(jié)合了許多技術(shù)。比如波束掃描、超低旁瓣、波束自適應(yīng)置零等。

應(yīng)用

除地面建筑物,它還可以應(yīng)用在艦載、機(jī)載、星載等多個(gè)平臺中,在推出和應(yīng)用多功能有源相控陣?yán)走_(dá)之后,也加強(qiáng)了國防、艦載、機(jī)載及星載預(yù)警系統(tǒng)等軍用防衛(wèi)能力,也在衛(wèi)星通信、氣象水文、地球勘探、生物醫(yī)學(xué)等民用領(lǐng)域得到廣泛使用,未來還會有更多的應(yīng)用。

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