自適應天線電子科大分析PPT課件

1、1.無柵瓣條件無柵瓣條件sin(sinsin)2sinsin(/)mmddd 為了使落在不可見區(qū)，應有|sin| (/)1|sin| (/)1mmdd 和第二個不等式更為嚴格，因此要求第二個不等式更為嚴格，因此要求11 |sin|md第1頁/共43頁2.零點位置零點位置sin02N000(sinsin)22sinsin,1, 2,.sinsinNullNullNullNullNNdmmmNdmNd 0,0,1m對側(cè)射式天線陣第一個零點在處sinNullNd0,/2,1m 對端射式天線陣第一個零點在處sin1NullNd 由第2頁/共43頁3.波瓣寬度波瓣寬度0.50.502220.5max(s

2、insin)|()|0.5|0.5dffN波瓣寬度指方向圖主瓣的半功率點之間的夾角，可由下式解出0.5N可以證明，不掃描且當 很大時，側(cè)射式天線陣的波瓣寬度為0.5251( )0.866()radNdNd掃描時，由1020sinsin0.443 /()sinsin0.443 /()NdNd 側(cè)射陣的波瓣寬度為110.521002sin sin0.443 /()sin sin0.443 /()NdNd端射陣的波瓣寬度為10.52222sin 10.443 /()Nd第3頁/共43頁4.副瓣位置和副瓣電平副瓣位置和副瓣電平副瓣位置是指副瓣最大值所對應的角度，可由|( )|0dfd計算n當 很大時,

3、副瓣位置可以近似由兩個零點的中點來確定,即012sinsin,1,2,.2sqqNd 副瓣電平可由下式求出13sin222|()|33sin2snnfn1|()|213.5()(0)3fdBf s其中 為最大副瓣對應的角度，求解上式可獲得副瓣位置第4頁/共43頁5.方向性系數(shù)方向性系數(shù)222220004 |()|2|( )| sin| sinmfnDfd dfd (1)(coscos)1sin2|( )|sin2mnj idiNfe121112sin()cos(cos)nmmDnmm dm dnnm d(1,2,.)sin()0,24Dndqqm ddqDn當時，即在端射式天線中，當時，( )

4、f將陣因子表示為求和式第5頁/共43頁6 對于指定的旁瓣電平，其第一零點波束寬度為最窄；反之，對對于指定的旁瓣電平，其第一零點波束寬度為最窄；反之，對于指定的波束寬度，其旁瓣電平最低。綜合得到的方向圖為于指定的波束寬度，其旁瓣電平最低。綜合得到的方向圖為(NT為陣元數(shù)量為陣元數(shù)量)11( )( )cos(cos) for z1 cos(cosh) for z1MF zTzMzMz由于主瓣與副瓣之比由于主瓣與副瓣之比r1，因此，因此其中其中M=NT -1, 0cos(/ )sin xzzd10cosh1/coshzMr1020log0dBSLr2.22.2一維直線陣綜合一維直線陣綜合2.2.1.

5、切比雪夫綜合法切比雪夫綜合法第6頁/共43頁7 將陣列多項式與將陣列多項式與Chebyshev多項式進行匹配，使陣列的副多項式進行匹配，使陣列的副瓣占據(jù)瓣占據(jù) 的區(qū)域，陣列的主瓣位于的區(qū)域，陣列的主瓣位于z0 1的區(qū)域，有的區(qū)域，有1z 0()MTzr 當當NT 為偶數(shù)、陣元間距為偶數(shù)、陣元間距dx/0.5時，所需激勵如下時，所需激勵如下: /2 10122cos(/) cos(21)/)0,1,2,.,(/2 1)TNmMTTsTTIrTzsNmsNNmN第7頁/共43頁8 設(shè)計步驟：設(shè)計步驟：1. 選取與陣列如下多項式同冪次（選取與陣列如下多項式同冪次（m = n-1）的切比雪夫多項式）的

6、切比雪夫多項式對于偶數(shù)個陣元對于偶數(shù)個陣元對于奇數(shù)個陣元對于奇數(shù)個陣元10212cos()2eNnkkkEA02cos(2)2oNnkkEAk1( )nTx第8頁/共43頁92. 選取主瓣與副瓣之比選取主瓣與副瓣之比r，并從下式中，并從下式中解出解出x0 . 引入新的總量引入新的總量w，使得，使得此時此時 。以。以w取代取代 中的變量中的變量x，令，令故波瓣圖多項式故波瓣圖多項式 和和 便可表示為便可表示為w的多項式。的多項式。0()mTxR0 xwx11w 1( )nTxcos()2wenEonE第9頁/共43頁103. 使切比雪夫多項式和陣列多項式相等，即使切比雪夫多項式和陣列多項式相等，

7、即由此可解出陣列多項式的系數(shù)，然后得到陣列的口徑電平分布。由此可解出陣列多項式的系數(shù)，然后得到陣列的口徑電平分布。n-1( )nTxE第10頁/共43頁112.2.2泰勒綜合法泰勒綜合法 對于大型陣列，對于大型陣列，Dolph-Chebyshev 綜合方法得出的是單調(diào)綜合方法得出的是單調(diào)的口徑分布，因此該方法會導致口徑的口徑分布，因此該方法會導致口徑tapered efficiency降低降低.泰勒指出，由于泰勒指出，由于Chebyshev方向圖的所有副瓣電平均相等，方向圖的所有副瓣電平均相等，因此導致因此導致tapered效率的損失。對于大型陣列，這就意味著效率的損失。對于大型陣列，這就意味

8、著更多的能量將集中于副瓣內(nèi)。更多的能量將集中于副瓣內(nèi)。第11頁/共43頁12泰勒建議，可以設(shè)計這樣的方向圖函數(shù)，使得靠近主瓣泰勒建議，可以設(shè)計這樣的方向圖函數(shù)，使得靠近主瓣的方向圖零點類似于的方向圖零點類似于Chebyshev 方向圖，但遠離主瓣的方向圖，但遠離主瓣的零點位置對應于均勻分布的情況。零點位置對應于均勻分布的情況。 由由泰勒綜合法泰勒綜合法得到的得到的64個點源陣列的方向圖個點源陣列的方向圖第12頁/共43頁131212222202222( ,)cos () for z cosh () for zF z AzAAAzA/zuL副瓣比副瓣比 r 即是即是F0 在在z = 0的值：的值

9、：cosh()rA11coshAr 以上的理想方向圖對應于另以上的理想方向圖對應于另 一類一類Chebyshev方向圖，其零點方向圖，其零點位置在：位置在：122212() 1,2,3,.,nzAnn 第13頁/共43頁142212211sin( , , )1nnnzzzF z A nzzn122212() for 1 for nzAnnnnnn 122212 () nAn為了匹配兩類零點，泰勒引入尺度因子為了匹配兩類零點，泰勒引入尺度因子 ，通過調(diào)整零點，通過調(diào)整零點的位置的位置zn 來拉伸空間因子，以使其中一個零點對應于來拉伸空間因子，以使其中一個零點對應于 。新的方向圖函數(shù)變?yōu)椋盒碌姆较?/p>

10、圖函數(shù)變?yōu)椋簄所需要的口徑分布可以展開為有限項的傅里葉級數(shù)，且該所需要的口徑分布可以展開為有限項的傅里葉級數(shù)，且該口徑分布函數(shù)在陣列的邊緣處導數(shù)為零?？趶椒植己瘮?shù)在陣列的邊緣處導數(shù)為零。第14頁/共43頁15112( )(0, , )2( , , )cos()nmm xg xFA nF m A nLfor -22LxL21221(1)!( , , )1(1)!(1)!nnnnF m A nmznmnm 口徑分布函數(shù)可以表示為口徑分布函數(shù)可以表示為第15頁/共43頁162.2.3伍德沃特綜合法伍德沃特綜合法一個均勻照射的陣列方向圖有著如下的形式：一個均勻照射的陣列方向圖有著如下的形式：0000(

11、)sin( )()sinxxN d uuFd uuN()()ixuL iNdi1/2; 3/2; 5/2; (1)/2; for N even =0; 1; 2; 3; (1)/2; for N oddiNN 均勻照射的陣列方向圖是一組正交波束的疊加，因此可以用均勻照射的陣列方向圖是一組正交波束的疊加，因此可以用來綜合所需要的方向圖。來綜合所需要的方向圖。 一個長度為一個長度為 L=Ndx的陣列，在的陣列，在u空間中將有空間中將有N個波束覆蓋個波束覆蓋大小為大小為 (N-1) /L的扇區(qū)，的扇區(qū)，第16頁/共43頁17 第第i個波束由如下的相位步進個波束由如下的相位步進 激勵：激勵：x ijk

12、d u ninae其中其中n取值與取值與i相同，方向圖函數(shù)如下：相同，方向圖函數(shù)如下：(1)/2()0(1)/20sin(/ )()1( )sin(/ )()xiNjkndu uxinNxduufeNNduu 給定的方向圖函數(shù)給定的方向圖函數(shù)E(u)可以由在可以由在ui上的上的N個取樣近似：個取樣近似：( )( )iiiE uA f u( )iiAE u 在每個陣元上的總電流即是形成所有波束的電流之和。在每個陣元上的總電流即是形成所有波束的電流之和。對于第對于第n個單元有：個單元有：x ijkd u nininiiiaAaAe第17頁/共43頁18 正交波束正交波束平頂方向圖的綜合平頂方向圖的

13、綜合第18頁/共43頁19 由由伍德沃特伍德沃特法綜合得到的法綜合得到的64個點源陣列的脈沖形方向圖個點源陣列的脈沖形方向圖 sinc基函數(shù)（基函數(shù)（i = -13）第19頁/共43頁202.32.3相控陣掃描原理相控陣掃描原理0,2 ,.,(1)dNN 對一個間距為 的 元陣列，陣列的每一個單元都與一個移相器連接，各單元移相器引入的相位依次為，。利用這些移相器改變 的大小，就可以分別控制各單元的相位，以達到控制波束掃描的目的。02(1) (sinsin)(1) sinnnk ndnd02(1) sin nndn第 個天線的理想配相為0其中，為相控陣的波束指向第20頁/共43頁212.3.1波

14、束躍度波束躍度KK在工程實際中，陣列的波束并非連續(xù)掃描，即 并不是連續(xù)變化的，而是以改變波位數(shù) 跳躍式變化的。所謂波束躍度是指兩個相鄰波位之間波束指向的跨度。 位數(shù)字移相器的最低移相量為min22Kmin0,pp當相鄰單元之間的相移差為時時，波束指向為，即min0,sin2pKppkdd1pp第個波束位置和第 個波束位置之間的波束躍度為11minmin0,0,1(1)sinsinpppppkdkd第21頁/共43頁220,0,10,10,1sinsin()sincossincossincos1ppppppppppp 因為，若很小，則，可得0,0,10,10,1sinsin1coscos2ppp

15、Kppd0,1cospK以上討論說明，采用數(shù)字式移相器之后，隨著掃描角度的增大，相鄰波束之間的波束躍度按照增大。這與天線波束寬度隨掃描增大而展寬是一致的。為了降低波束躍度，使天線波束掃描接近于機械式連續(xù)轉(zhuǎn)動天線時的情況相控，需陣天線的波束指向是要增加移相離的器位數(shù)散。第22頁/共43頁230,00,10,00.5 ,0,dp例：取即不掃描時波束指向。第一個波束指向與之間的波束躍度（即最小波束躍度）為5910,10,010,10,03.5810( )20.2238( )2KKKKdd可以看出，為了降低波束躍度增加指向精度，需要增加移相器的位數(shù)；但是，移相器的結(jié)構(gòu)尺寸和插入損耗也會相應的增加，顯然

16、這是不切實際的，因此需要引入移相器虛位技術(shù)。第23頁/共43頁242.3.2虛位技術(shù)虛位技術(shù)位技術(shù)虛位技術(shù)就是用位數(shù)較少的數(shù)字式移相器來實現(xiàn)較小的波束躍度的技術(shù)。當計算該移相器所需要的相移值時， KbKb虛位技術(shù)就是用位數(shù)較少的數(shù)字式移相器來實現(xiàn)較小的波束躍度的技術(shù)。當計算該移相器所需要的相移值時，按位進行運算，而實際的移相器只有 位， 為被舍棄的位數(shù)。采用虛位技術(shù)之后，將使得對應于某個掃描波束的陣列相位分布出現(xiàn)量化誤差，從而導致掃描波束的副瓣上升。原始值：應有值：實際值：,minmin5360, ( )2n pnp,minmin9360, ( )2n pnp, n p（取值為 的整數(shù)倍，需要

17、按照一定的方式配相）min 第24頁/共43頁 對于N元均勻線陣，如果采用5位數(shù)字移相器來取代9位數(shù)字式移相器，來實現(xiàn)波束躍度為0.2度的掃描波束（即9位移相器的最小波束躍度），則有以下的配相關(guān)系。這里p=1：,1n,1n,1n n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 (N-1)min0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 (N-1)min0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 (N-1)min0 0 0 0 0

18、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 在采用虛位技術(shù)舍去移相器最低四位之后，相當于將 16個單元組成一個子陣，子陣內(nèi)無掃描，但子陣間有掃描。子陣內(nèi)無掃描，但子陣間有掃描。 兩個方向圖相乘以后，波束指向?qū)⒙酝笃?。產(chǎn)生產(chǎn)生量化副瓣量化副瓣的原的原因因 第25頁/共43頁例例1：N=32均勻直線陣列，陣元間距為半波長，波控數(shù)均勻直線陣列，陣元間距為半波長，波控數(shù)p=1，計算所用的移相器位，計算所用的移相器位數(shù)是數(shù)是9，實際移相器的位數(shù)只有，實際移相器的位數(shù)只有5：圖圖1-1 虛位技術(shù)引起的寄生副瓣示意圖虛位技術(shù)引

19、起的寄生副瓣示意圖 圖圖1-2 采用虛位技術(shù)的天線波束圖采用虛位技術(shù)的天線波束圖 圖圖1-3 采用虛位技術(shù)的天線波束圖（主瓣區(qū)域放大）采用虛位技術(shù)的天線波束圖（主瓣區(qū)域放大） -40-30-20-10010203040-60-50-40-30-20-100Normalized Gain (dB) (deg) 子陣方向圖綜合陣因子方向圖-30-20-100102030-80-70-60-50-40-30-20-100 (deg)Normalized Gain (dB) 理想陣列K=5-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-2.5-2-1.5-1-0.50 (deg)Normaliz

20、ed Gain (dB) 理想陣列K=5第26頁/共43頁272.42.4相控陣設(shè)計概述相控陣設(shè)計概述2.4.1相控陣的結(jié)構(gòu)組成相控陣的結(jié)構(gòu)組成第27頁/共43頁282.4.2相控陣設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)相控陣設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)第28頁/共43頁292.4.3相控陣的輻射單元相控陣的輻射單元第29頁/共43頁30(g)Folded dipole第30頁/共43頁312.4.3相控陣天線的相控陣天線的T/R組件組件第31頁/共43頁32第32頁/共43頁33X波段T/R組件的演變安裝了T/R組件的相控陣第33頁/共43頁342.4.4相控陣的饋電方式相控陣的饋電方式無源陣列有源陣列無源相控陣和有源相控陣無源

21、相控陣和有源相控陣第34頁/共43頁35強制饋電方式強制饋電方式等線長平面饋電等線長列饋第35頁/共43頁36空間饋電方式空間饋電方式第36頁/共43頁37“磚塊式磚塊式” 和和“瓦片式瓦片式”相控陣相控陣“磚塊式”偶極子陣列“瓦片式”微帶陣列2.4.5相控陣的結(jié)構(gòu)相控陣的結(jié)構(gòu)第37頁/共43頁382.4.6典型相控陣介紹典型相控陣介紹AN/APG-77 工作波段： X 單元數(shù)：2200 功率：16.4KW 體制： AESA PD 波束銳化 SAR ISAR 掃描范圍： +/60 冷卻方式: 液體冷卻） 最高分辨率: 0.3米（ISAR方式） 作用距離：160英里 跟蹤目標數(shù)量： 30（空中目標），16（地面目標）第38頁/共43頁39AN/APG-81F-35上的APG-81擁有1200個發(fā)射/接收模塊。APG一81的優(yōu)勢在于其對地工作模式，其合成孔徑雷達地圖測繪(SAR)/地面移動目標指示(GMTI)/海上移動目標指示能力等空對地/空對海工作模式上的性能則超過APG一77。雖然其對空中目標的探測距離遠小于F-22A，但是APG一81的對空中目標的探測能力要遠強于F/A一18系列和F-16系列戰(zhàn)斗機的機載脈沖多普勒雷達。另外，F(xiàn)-35的APG-81雷達在成本和重量上都只是F一22的二分之一，而且其工作壽命有望達到了8000小時第39頁/共43頁40鋪路爪相控陣雷達