xgd導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)原理6

導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)原理第六章

角度測(cè)量第六章角度測(cè)量

6.1概述6.2測(cè)角方法及其比較6.3天線波束的掃描方法

6.4自動(dòng)測(cè)角的原理和方法

6.1概述

為了確定目標(biāo)的空間位置,雷達(dá)在大多數(shù)應(yīng)用情況下,不僅要測(cè)定目標(biāo)的距離,而且還要測(cè)定目標(biāo)的方向,即測(cè)定目標(biāo)的角坐標(biāo),其中包括目標(biāo)的方位角和高低角(仰角)。雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖

雷達(dá)測(cè)角的物理基礎(chǔ)是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達(dá)天線的方向性。電波的直線傳播天波傳播具有國際水平的三坐標(biāo)雷達(dá)天線航海雷達(dá)天線西晶L波段探空雷達(dá)天線

雷神公司的AN/FPS-115“鋪路爪”遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)采用雙面陣天線AN/APG-68（V）9型火控雷達(dá)

由于電波沿直線傳播,目標(biāo)散射或反射電波波前到達(dá)的方向,即為目標(biāo)所在方向。目標(biāo)散射或反射電波

但在實(shí)際情況下,電波并不是在理想均勻的介質(zhì)中傳播,如大氣密度、濕度隨高度的不均勻性造成傳播介質(zhì)的不均勻,復(fù)雜的地形地物的影響等。左圖中電波經(jīng)過不同的路徑到達(dá)同一點(diǎn)，不同路徑的電波行成干擾電波在不均勻媒質(zhì)傳播電離層對(duì)電波的連續(xù)折射由于以上原因使電波傳播路徑發(fā)生偏折,從而造成測(cè)角誤差。通常在近距測(cè)角時(shí),由于此誤差不大,仍可近似認(rèn)為電波是直線傳播的。當(dāng)遠(yuǎn)程測(cè)角時(shí),應(yīng)根據(jù)傳播介質(zhì)的情況,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)(主要是仰角測(cè)量)作出必要的修正。電波的偏析光的偏析（折射）形成彩虹星光的偏折圖

天線的方向性可用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)畫出的方向圖表示。但方向性函數(shù)的準(zhǔn)確表達(dá)式往往很復(fù)雜,為便于工程計(jì)算,常用一些簡單函數(shù)來近似,如表7.1所示。極坐標(biāo)表示的天線俯仰方向圖表6.1天線方向圖的近似表示表6.1天線方向圖的近似表示

雷達(dá)測(cè)角的性能可用測(cè)角范圍、測(cè)角速度、測(cè)角準(zhǔn)確度或精度、角分辨力來衡量。準(zhǔn)確度用測(cè)角誤差的大小來表示,它包括雷達(dá)系統(tǒng)本身調(diào)整不良引起的系統(tǒng)誤差和由噪聲及各種起伏因素引起的隨機(jī)誤差。而測(cè)量精度由隨機(jī)誤差決定。雷達(dá)探測(cè)與定位6.2測(cè)角方法及其比較

測(cè)角方法相位法測(cè)角振幅法測(cè)角最大信號(hào)法等信號(hào)法

1.基本原理6.2.1相位法測(cè)角

相位法測(cè)角利用多個(gè)天線所接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。正弦電信號(hào)相位差的測(cè)量

如圖6.1所示,設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo),則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電波近似為平面波。由于兩天線間距為d,故它們所收到的信號(hào)由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一相位差φ。圖6.1相位法測(cè)角方框圖

其中λ為雷達(dá)波長。如用相位計(jì)進(jìn)行比相,測(cè)出其相位差φ,就可以確定目標(biāo)方向θ。(6.2.1)武直-10直升機(jī)采用吸收雷達(dá)波長的復(fù)合材料和涂裝來縮短被發(fā)現(xiàn)的距離

由于在較低頻率上容易實(shí)現(xiàn)比相,故通常將兩天線收到的高頻信號(hào)經(jīng)與同一本振信號(hào)差頻后,在中頻進(jìn)行比相。設(shè)兩高頻信號(hào)為u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信號(hào)為uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ為兩信號(hào)的相位差；φL為本振信號(hào)初相。u1和uL差頻得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］u2與uL差頻得

uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可見，兩中頻信號(hào)uI1與uI2之間的相位差仍為φ。

圖6.2所示為一個(gè)相位法測(cè)角的方框圖。接收信號(hào)經(jīng)過混頻、放大后再加到相位比較器中進(jìn)行比相。其中自動(dòng)增益控制電路用來保證中頻信號(hào)幅度穩(wěn)定,以免幅度變化引起測(cè)角誤差。圖6.2相位法測(cè)角方框圖圖6.3二極管相位檢波器電路及矢量圖(a)電路;(b)U2>>U1;(c)U2=1/2U1

為討論方便,設(shè)變壓器的變壓比為1∶1,電壓正方向如圖6.3(a)所示,相位比較器輸出端應(yīng)能得到與相位差φ成比例的響應(yīng)。為此目的,當(dāng)相位差為φ的兩高頻信號(hào)加到相位檢波器之前,其中之一要預(yù)先移相90°。因此相位檢波器兩輸入信號(hào)為u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2=cos(ωt-90°)

U1、U2為u1、u2的振幅,通常應(yīng)保持為常值?，F(xiàn)在u1在相位上超前u2的數(shù)值為(90°-φ)。由圖6.3(a)知：當(dāng)選取U2>>U1時(shí),由矢量圖6.3(b)可知

故相位檢波器輸出電壓為其中Kd為檢波系數(shù)。由式(6.2.2)可畫出相位檢波器的輸出特性曲線,如圖6.4(a)所示。測(cè)出Uo,便可求出φ。顯然,這種電路的單值測(cè)量范圍是-π/2~π/2。當(dāng)φ＜30°,Uo≈KdU1φ,輸出電壓Uo與φ近似為線性關(guān)系。當(dāng)選取1/2U1=U2時(shí),由矢量圖6.3(c)可求得:則輸出

輸出特性如圖7.4(b)所示,φ與Uo有良好的線性關(guān)系,但單值測(cè)量范圍仍為-π/2~π/2。為了將單值測(cè)量范圍擴(kuò)大到2π,電路上還需采取附加措施。圖6.4相位檢波器輸出特性(a)U2>>U1;(b)U2=1/2U1

相位差φ值測(cè)量不準(zhǔn),將產(chǎn)生測(cè)角誤差,將式(6.2.1)兩邊取微分它們之間的關(guān)系如下:(6.2.3)

2.測(cè)角誤差與多值性問題

從上式中，大家發(fā)現(xiàn)：當(dāng)θ=0時(shí),即目標(biāo)處在天線法線方向時(shí),測(cè)角誤差dθ最小。當(dāng)θ增大,dθ也增大,為保證一定的測(cè)角精度,θ的范圍有一定的限制。三天線干涉儀系統(tǒng)圖6.5三天線相位法測(cè)角原理示意圖

比較有效的辦法是利用三天線測(cè)角設(shè)備,間距大的1、3天線用來得到高精度測(cè)量,而間距小的1、2天線用來解決多值性,如圖6.5所示。

設(shè)目標(biāo)在θ方向。天線1、2之間的距離為d12,天線1、3之間的距離為d13,適當(dāng)選擇d12,使天線1、2收到的信號(hào)之間的相位差在測(cè)角范圍內(nèi)均滿足:(6.2.4)φ12由相位計(jì)1讀出。

根據(jù)要求,選擇較大的d13,則天線1、3收到的信號(hào)的相位差為

φ13由相位計(jì)2讀出,但實(shí)際讀數(shù)是小于2π的ψ。為了確定N值,可利用如下關(guān)系:(6.2.5)根據(jù)相位計(jì)1的讀數(shù)φ12可算出φ13,但φ12包含有相位計(jì)的讀數(shù)誤差,由式(6.2.5)標(biāo)出的φ13具有的誤差為相位計(jì)誤差的d13/d12倍,它只是式(6.2.4)的近似值,只要φ12的讀數(shù)誤差值不大,就可用它確定N,即把(d13/d12)φ12除以2π,所得商的整數(shù)部分就是N值。然后由式(6.2.4)算出φ13并確定θ。由于d13/λ值較大,保證了所要求的測(cè)角精度。6.2.2振幅法測(cè)角

振幅法測(cè)角是用天線受到的回波信號(hào)的幅度來測(cè)角的。

當(dāng)天線波束作圓周掃描或在一定扇形范圍內(nèi)作勻角速掃描時(shí),對(duì)收發(fā)共用天線的單基地脈沖雷達(dá)而言,接收機(jī)輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數(shù)所調(diào)制。找出脈沖串的最大值(中心值),確定該時(shí)刻波束軸線指向即為目標(biāo)所在方向。

1.最大信號(hào)法天線波束圖6.6最大信號(hào)法測(cè)角(a)波束掃描;(b)波型圖圖6.6最大信號(hào)法測(cè)角(a)波束掃描;(b)波型圖

如天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ωar/min,脈沖雷達(dá)重復(fù)頻率為fr,則兩脈沖間的天線轉(zhuǎn)角為

這樣,天線軸線(最大值)掃過目標(biāo)方向(θt)時(shí),不一定有回波脈沖,就是說,Δθs將產(chǎn)生相應(yīng)的“量化”測(cè)角誤差。雷達(dá)以不同的仰角掃描

在人工錄取的雷達(dá)里,操縱員在顯示器畫面上看到回波最大值的同時(shí),讀出目標(biāo)的角度數(shù)據(jù)。采用平面位置顯示(PPI)二度空間顯示器時(shí),掃描線與波束同步轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)回波標(biāo)志中心(相當(dāng)于最大值)相應(yīng)的掃描線位置,借助顯示器上的機(jī)械角刻度或電子角刻度讀出目標(biāo)的角坐標(biāo)。光柵掃描雷達(dá)一是簡單;二是用天線方向圖的最大值方向測(cè)角,回波最強(qiáng),信噪比最大,對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是有利的。優(yōu)點(diǎn)一是直接測(cè)量時(shí)測(cè)量精度不很高。二是不能判別目標(biāo)偏離波束軸線的方向,故不能用于自動(dòng)測(cè)角。最大信號(hào)法測(cè)角廣泛應(yīng)用于搜索、引導(dǎo)雷達(dá)中。缺點(diǎn)最大信號(hào)法測(cè)角的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

等信號(hào)法測(cè)角采用兩個(gè)相同且彼此部分重疊的波束。

2.等信號(hào)法圖6.7等信號(hào)法測(cè)角(a)波束; (b)K型顯式器畫面

如果目標(biāo)處在兩波束的交疊軸OA方向,則由兩波束收到的信號(hào)強(qiáng)度相等,否則一個(gè)波束收到的信號(hào)強(qiáng)度高于另一個(gè)(如圖6.7(b)所示)。故常常稱OA為等信號(hào)軸。當(dāng)兩個(gè)波束收到的回波信號(hào)相等時(shí),等信號(hào)軸所指方向即為目標(biāo)方向。

設(shè)天線電壓方向性函數(shù)為F(θ),等信號(hào)軸OA的指向?yàn)棣?,則波束1、2的方向性函數(shù)可分別寫成:F1(θ)=F(θ1)=F(θ+θk-θ0)F2(θ)=F(θ2)=F(θ-θ0-θk)θk為θ0與波束最大值方向的偏角。用等信號(hào)法測(cè)量時(shí),波束1接收到的回波信號(hào)u1=KF1(θ)=KF(θk-θt),波束2收到的回波電壓值u2=KF2(θ)=KF(-θk-θt)=KF(θk+θt),式中θt為目標(biāo)方向偏離等信號(hào)軸θ0的角度。對(duì)u1和u2信號(hào)進(jìn)行處理,可以獲得目標(biāo)方向θt的信息。

根據(jù)比值的大小可以判斷目標(biāo)偏離θ0的方向,查找預(yù)先制定的表格就可估計(jì)出目標(biāo)偏離θ0的數(shù)值。

求兩信號(hào)幅度的比值（1）比幅法:由u1及u2可求得其差值Δ(θt)及和值Σ(θt),即

Δ(θ)=u1(θ)-u2(θ)=K［F(θk-θt)-F(θk+θt)］在等信號(hào)軸θ=θ0附近,差值Δ(θ)可近似表達(dá)為而和信號(hào)Σ(θt)=u1(θ)+u2(θ)=K［F(θk-θt)+F(θk+θt)］在θ0附近可近似表示為Σ(θt)≈2F(θ0)k

(2)和差法:圖6.8和差法測(cè)角即可求得其和、差波束Σ(θ)與Δ(θ),如圖6.8所示。歸一化的和差值(6.2.7)因?yàn)棣?Σ正比于目標(biāo)偏離θ0的角度θt,故可用它來判讀角度θt的大小及方向。等信號(hào)法中,兩個(gè)波束可以同時(shí)存在,若用兩套相同的接收系統(tǒng)同時(shí)工作,則稱同時(shí)波瓣法;兩波束也可以交替出現(xiàn),或只要其中一個(gè)波束,使它繞OA軸旋轉(zhuǎn),波束便按時(shí)間順序在1、2位置交替出現(xiàn),只要用一套接收系統(tǒng)工作,則稱順序波瓣法。一、測(cè)角系統(tǒng)較復(fù)雜;二、作用距離比最大信號(hào)法小些等信號(hào)法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)一、測(cè)角精度比最大信號(hào)法高；二、根據(jù)兩個(gè)波束收到的信號(hào)的強(qiáng)弱可判別目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向,便于自動(dòng)測(cè)角。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)6.3天線波束的掃描方法

理想的天線輻射波束APG-77雷達(dá)掃描跟蹤示意圖ＨＹ－１Ａ圓錐掃描雷達(dá)裝備艦艇7.3.1波束形狀和掃描方法1.扇形波束

扇形波束的水平面和垂直面內(nèi)的波束寬度有較大差別,主要掃描方式是圓周掃描和扇掃。圖6.9扇形波束圓周掃描(a)地面雷達(dá);(b)機(jī)載雷達(dá)衛(wèi)星上的雷達(dá)波束掃描ERS衛(wèi)星由雷達(dá)方程知，回波功率為

式中，G為天線增益;R為斜距;K1為雷達(dá)方程中其它參數(shù)決定的常數(shù)。若目標(biāo)高度為H,仰角為β,忽略地面曲率,則R=H/sinβ=Hcsc

β,代入上式得若目標(biāo)高度一定,要保持Pr不變,則要求G/csc2β=K(常數(shù)),故

即天線增益G(β)為余割平方形。

當(dāng)對(duì)某一區(qū)域需要特別仔細(xì)觀察時(shí),波束可在所需方位角范圍內(nèi)往返運(yùn)動(dòng),即做扇形掃描。專門用于測(cè)高的雷達(dá),采用波束寬度在垂直面內(nèi)很窄而水平面內(nèi)很寬的扇形波束,故仰角有較高的測(cè)角精度和分辨力。雷達(dá)工作時(shí),波束可在水平面內(nèi)作緩慢圓周運(yùn)動(dòng),同時(shí)在一定的仰角范圍內(nèi)做快速扇掃(點(diǎn)頭式)。船用掃描雷達(dá)

針狀態(tài)束的水平面和垂直面波束寬度都很窄。采用針狀波束可同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離、方位和仰角,且方位和仰角兩者的分辨力和測(cè)角精度都較高。主要缺點(diǎn)是因波束窄,掃完一定空域所需的時(shí)間較長,即雷達(dá)的搜索能力較差。

2.針狀波束對(duì)空/對(duì)海搜索雷達(dá)桅桿上的搜索雷達(dá)圖7.10針狀波束掃描方式(a)螺旋掃描;(b)分行掃描;(c)鋸齒掃描

根據(jù)雷達(dá)的不同用途,針狀波束的掃描方式很多,圖6.10所示為其中幾個(gè)例子。6.3.2天線波束的掃描方法E-2預(yù)警機(jī)電掃描天線陣（ESA）

機(jī)械性掃描電掃描相位掃描法頻率掃描法時(shí)間延遲法天線波束的掃描方法

利用整個(gè)天線系統(tǒng)或其某一部分的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)波束掃描的稱為機(jī)械性掃描。如環(huán)視雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)，通常采用整個(gè)天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方法。

1.機(jī)械性掃描F-111的地形跟蹤雷達(dá)及其圖像科學(xué)家利用微型雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)跟蹤蜜蜂跟蹤雷達(dá)衛(wèi)星上的跟蹤雷達(dá)圖6.11饋源不動(dòng)反射體動(dòng)的機(jī)械性掃描

而圖6.11是饋源不動(dòng),反射體相對(duì)于饋源往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波束扇掃的一個(gè)例子。不難看出,波束偏轉(zhuǎn)的角度為反射體旋轉(zhuǎn)角度的兩倍。IRIS-T導(dǎo)彈采用機(jī)械掃描

圖6.12風(fēng)琴管式掃描器示意圖圖6.12為風(fēng)琴管式饋源,由一個(gè)輸入喇叭和一排等長波導(dǎo)組成,波導(dǎo)輸出口按直線排列,作為拋物面反射體的一排輻射源。當(dāng)輸入喇叭轉(zhuǎn)動(dòng)依次激勵(lì)各波導(dǎo)時(shí),這排波導(dǎo)的輸出口也依次以不同的角度照射反射體,形成波束掃描。這等效于反射體不動(dòng),饋源左右擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)波束扇掃。波束掃描

機(jī)械性掃描的優(yōu)點(diǎn)是簡單。主要缺點(diǎn)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)慣性大,掃描速度不高。近年來快速目標(biāo)、洲際導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星等的出現(xiàn),要求雷達(dá)采用高增益極窄波束,因此天線口徑面往往做得非常龐大,再加上常要求波束掃描的速度很高,用機(jī)械辦法實(shí)現(xiàn)波束掃描無法滿足要求,必須采用電掃描。機(jī)械性掃描的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

電掃描時(shí),天線反射體,饋源等不必作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因無機(jī)械慣性限制,掃描速度可大大提高,波束控制迅速靈便,故這種方法特別適用于要求波束快速掃描及巨型天線的雷達(dá)中。

2.電掃描Saab2000

AEW&C型預(yù)警機(jī)

電掃描的主要缺點(diǎn)是掃描過程中波束寬度將展寬,因而天線增益也要減小,所以掃描的角度范圍有一定限制。另外，天線系統(tǒng)一般比較復(fù)雜。根據(jù)實(shí)現(xiàn)時(shí)所用基本技術(shù)的差別,電掃描又可分為相位掃描法、頻率掃描法、時(shí)間延遲法等。APG—79型有源電掃描陣列雷達(dá)“鷹眼2000”是Ｅ-2Ｃ和電掃描天線PS-890“愛立眼”電子掃描陣列相控陣?yán)走_(dá)6.3.3相位掃描法

高頻地波雷達(dá)天線陣列舊白云機(jī)場(chǎng)MKII航向天線陣圖6.13N元直線移相器天線

1.基本原理

圖6.13所示為由N個(gè)陣元組成的一維直線移相器天線陣,陣元間距為d。為簡化分析,先假定每個(gè)陣元為無方向性的點(diǎn)輻射源,所有陣元的饋線輸入端為等幅同相饋電,各移相器的相移量分別為0,φ,2φ,…,(N-1)φ(如圖7.13所示),即相鄰陣元激勵(lì)電流之間的相位差為φ。新墨西哥州的甚大天線陣

現(xiàn)在考慮偏離法線θ方向遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng),它應(yīng)為各陣元在該點(diǎn)的輻射場(chǎng)的矢量和因等幅饋電,且忽略各陣元到該點(diǎn)距離上的微小差別對(duì)振幅的影響,可認(rèn)為各陣元在該點(diǎn)輻射場(chǎng)的振輻相等,用E表示。若以零號(hào)陣元輻射場(chǎng)E0的相位為基準(zhǔn),則

(6.3.1)式中, ，為由于波程差引起的相鄰陣元輻射場(chǎng)的相位差;φ為相鄰陣元激勵(lì)電流相位差;kψ為由波程差引起的Ek對(duì)E0的相位引前;kφ為由激勵(lì)電流相位差引起的Ek對(duì)E0的相位遲后。

任一陣元輻射場(chǎng)與前一陣元輻射場(chǎng)之間的相位差為ψ-φ。按等比級(jí)數(shù)求和并運(yùn)用尤拉公式,式(6.3.1)化簡為由式(6.3.1)容易看出,當(dāng)φ=ψ時(shí),各分量同相相加,場(chǎng)強(qiáng)幅值最大,顯然故歸一化方向性函數(shù)為

φ=0時(shí),也就是各陣元等幅同相饋電時(shí),由上式可知,當(dāng)θ=0,F(θ)=1,即方向圖最大值在陣列法線方向。若φ≠0,則方向圖最大值方向(波束指向)就要偏移,偏移角θ0由移相器的相移量φ決定,其關(guān)系式為:θ=θ0時(shí),應(yīng)有F(θ0)=1,由式(6.3.2)可知應(yīng)滿足(6.3.3)

式(6.3.3)表明,在θ0方向,各陣元的輻射場(chǎng)之間,由于波程差引起的相位差正好與移相器引入的相位差相抵消,導(dǎo)致各分量同相相加獲最大值。顯然,改變?chǔ)罩?為滿足式(6.3.3),就可改變波束指向角θ0,從而形成波束掃描。宙斯盾相陣控雷達(dá)天線陣面

也可以用圖6.14來解釋,可以看出,圖中MM′線上各點(diǎn)電磁波的相位是相同的,稱同相波前。方向圖最大值方向與同相波前垂直(該方向上各輻射分量同相相加),故控制移相器的相移量,改變?chǔ)罩?同相波前傾斜,從而改變波束指向,達(dá)到波束掃描的目的。根據(jù)天線收發(fā)互易原理,上述天線用作接收時(shí),以上結(jié)論仍然成立。北京天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡天線陣圖7.14一維相掃天線簡圖

現(xiàn)在將φ與波束指向θ0之間的關(guān)系式φ=(2π/λ)dsinθ0代入式(6.3.2)，得(6.3.4)可以看出,當(dāng)(πNd/λ)(sinθ-sinθ0)=0,±π,±2π,…,±nπ(n為整數(shù))時(shí),分子為零,若分母不為零,則有F(θ)=0。而當(dāng)(πd/λ)(sinθ-sinθ0)=0,±π,±2π,…,±nπ(n為整數(shù))時(shí),上式分子、分母同為零,由洛比達(dá)法則得F(θ)=1,由此可知F(θ)為多瓣?duì)?如圖6.15所示。

2.柵瓣問題其中，(πd/λ)×(sinθ-sinθ0)=0,即θ=θ0時(shí)的稱為主瓣,其余稱為柵瓣。出現(xiàn)柵瓣將會(huì)產(chǎn)生測(cè)角多值性。由圖6.15看出,為避免出現(xiàn)柵瓣,只要保證即則可,因｜sinθ-sinθ0｜≤1+｜sinθ0｜,故不出現(xiàn)柵瓣的條件可取為當(dāng)波長λ取定以后,只要調(diào)整陣元間距d以滿足上式,便不會(huì)出現(xiàn)柵瓣。如要在-90°＜θ0＜+90°范圍內(nèi)掃描時(shí),則d/λ＜1/2,但通過下面的討論可看出,當(dāng)θ0增大時(shí),波束寬度也要增大,故波束掃描范圍不宜取得過大,一般取|θ0|≤60°或|θ0|≤45°,此時(shí)分別是d/λ＜0.53或d/λ＜0.59。為避免出現(xiàn)柵瓣，通常選d/λ≤1/2。天線主瓣圖6.15方向圖出現(xiàn)柵瓣自適應(yīng)陣列智能天線實(shí)時(shí)地對(duì)用戶到達(dá)方向（DOA）進(jìn)行估計(jì)，在此方向上形成主波束，同時(shí)使旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾方向。智能天線最初用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。右圖為通信中天線的柵瓣問題3.波束寬度1)波束指向?yàn)樘炀€陣面法線方向時(shí)的寬度。這時(shí),θ0=0,即φ=0,為各陣元等幅同相饋電情況。波束寬度

麥克風(fēng)陣列波束示意圖由式(6.3.2)或式(6.3.1)可得方向性函數(shù)為

通常波束很窄,｜θ｜較小,sin［πd/λ)sinθ］≈(πd/λ)sinθ,上式變?yōu)?6.3.5)近似為辛克(Sinc)函數(shù),由此可求出波束半功率寬度為(6.3.6)其中Nd為線陣長度。當(dāng)d=λ/2時(shí)

(6.3.7)

順便指出,在d=λ/2的條件下,若要求θ0.5=1°,則所需陣元數(shù)N=100。如果要求水平和垂直面內(nèi)的波束寬度都為1°,則需100×100個(gè)陣元。

2)波束掃描對(duì)波束寬度和天線增益的影響掃描時(shí),波束偏離法線方向,θ0≠0,方向性函數(shù)由式(7.3.4)表示。波束較窄時(shí),｜θ-θ0｜較小,sin［(πd/λ)(sinθ-sinθ0)］≈(πd/λ)(sinθ-sinθ0),式(7.3.4)可近似為是辛克函數(shù)。設(shè)在波束半功率點(diǎn)上θ的值為θ+和θ-(見圖6.16),由辛克函數(shù)曲線,當(dāng)時(shí),可查出x=±0.443π,故知當(dāng)θ=θ+時(shí)應(yīng)有(6.3.8)容易證明

sinθ+-sinθ0=sin(θ+-θ0)cosθ0-［1-cos(θ+-θ0)］sinθ0

波束很窄時(shí),θ+-θ0很小,上式第二項(xiàng)忽略,可簡化為sinθ+-sinθ0≈(θ+-θ0)cosθ0

代入式(6.3.8),整理得掃描時(shí)的波束寬度θ0.5s為(6.3.9)其中，θ0.5為波束在法線方向時(shí)的半功率寬度;λ為波長。上式也可從概念上定性地得出,因?yàn)椴ㄊ偸侵赶蛲囵侂婈嚵刑炀€的法線方向,將圖7.16中的同相波前MM′看成同相饋電的直線陣列,但有效長度為Nd

cos

θ0,代入式(6.3.6)便得式(6.3.9)。圖6.16掃描時(shí)的波束寬度

相掃天線的工作頻帶取決于饋源設(shè)計(jì)和天線陣的掃描角度。這里著重研究陣面帶寬。

4.相掃天線的帶寬22M“逆火”(Backfire)安裝相掃天線

相掃天線掃描角θ0時(shí),同相波前距天線相鄰陣元的距離不同而產(chǎn)生波程差dsinθ0，如果用改變相鄰陣元間時(shí)間遲延值的辦法獲得傾斜波前,則雷達(dá)工作頻率改變時(shí)不會(huì)影響電掃描性能。FPS-XX陸基相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

但相掃天線陣中所需傾斜波前是靠波程差對(duì)應(yīng)的相位差ψ=(2π/λ)dsinθ獲得的,相位調(diào)整是以2π的模而變化的,它對(duì)應(yīng)于一個(gè)振蕩周期的值,而且隨著工作頻率改變，波束的指向也會(huì)發(fā)生變化,這就限制了天線陣的帶寬。

遠(yuǎn)程相控陣?yán)走_(dá)

當(dāng)工作頻率為f,波束指向?yàn)棣?時(shí),位于離陣參考點(diǎn)第n個(gè)陣元的移相量ψ為如工作頻率變化δf,而移相量ψ不變,則波束指向?qū)⒆兓摩?δθ滿足以下關(guān)系式:(6.3.12)當(dāng)頻率增加時(shí)，δθ為負(fù)值,表明此時(shí)波束指向朝法線方向偏移。掃描角θ0增大,δθ亦增加。用百分比帶寬Ba(%)=2(δf/f)×100表示式(6.3.11)時(shí),波束掃描隨頻率變化所允許的增量和波束寬度有關(guān)。掃描時(shí)的波束寬度θB(s)=θB/cosθ0,θB為法線方向波束寬度。將式(6.3.12)變換為(6.3.13)上式中帶寬因子k=Ba(%)/θB(°)。如果允許|δθ/θB(s)|≤1/4,則由式(6.3.13)可求得當(dāng)掃描角θ0增大時(shí),允許的帶寬變小。如θ0=60°,則得此時(shí)k=1,即百分比帶寬Ba(%)=θB(°)

上面分析了單頻工作時(shí)指向與頻率變化的關(guān)系。然而大多數(shù)雷達(dá)工作于脈沖狀態(tài),其輻射信號(hào)占有一個(gè)頻帶,當(dāng)天線掃描偏離法線方向時(shí),頻譜中的每一分量分別掃向一個(gè)有微小偏差的方向,已經(jīng)有人分析研究了此時(shí)各頻率分量在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的合成情況。

很明顯，在脈沖工作時(shí)，天線增益將低于單頻工作時(shí)的最大增益,如果允許輻射到目標(biāo)上的能量可以減少0.8dB,則當(dāng)波束掃描角θ0=60°時(shí)可得到Ba(%)=2θB(個(gè)脈沖)

天線陣面孔徑增大時(shí),波束θB減小,則允許的帶寬Ba(%)也相應(yīng)減小。

相掃天線的帶寬也可從時(shí)域上用孔徑充填時(shí)間或等效脈沖寬度來表示。當(dāng)天線掃描角為θ0時(shí),由于存在波程差,將能量充填整個(gè)孔徑面所需時(shí)間為

D為天線孔徑尺寸,c為光速。能有效通過天線系統(tǒng)的脈沖度τ應(yīng)滿足τ≥T

掃描角θ0越大,Ba(%)越小。當(dāng)90°掃描時(shí)可得

Ba(%)=2θB(°)

當(dāng)脈寬等于孔徑充填時(shí)間時(shí),將產(chǎn)生0.8dB的損失,脈寬增加則損失減少。

其對(duì)應(yīng)的頻帶為B=1/τ。將孔徑尺寸D與波束寬度θB的關(guān)系引入,且知道百分比帶寬Ba(%)為:B/f×100=Ba(%),則可得到,當(dāng)取最小可用脈寬即τ=T時(shí),

為了在空間獲得一個(gè)不隨頻率變化的穩(wěn)定掃描波束,就需要用遲延線而不是移相器來實(shí)現(xiàn)波束掃描,在每一陣元上均用時(shí)間遲延網(wǎng)絡(luò)是不實(shí)用的,因?yàn)樗芎馁M(fèi)且損耗及誤差較大。ALOS—2衛(wèi)星圖6.17用子陣和時(shí)間遲延的相掃陣列

一種明顯改善帶寬的辦法是用子陣技術(shù)(如上圖6.17所示)，即數(shù)個(gè)陣元組合為子陣而在子陣之間加入時(shí)間遲延單元,天線可視為由子陣組成的陣面；子陣的方向圖形成“陣元”因子,它們用移相器控制掃描到指定方向,每個(gè)子陣均工作于同一模式,當(dāng)頻率改變時(shí)其波束將有偏移,子陣間的掃描是調(diào)節(jié)與頻率無關(guān)的遲延元件?！昂ｚ棥比鴺?biāo)固態(tài)五源相控陣?yán)走_(dá)圖6.18頻率變化時(shí)子陣相控陣的方向圖

1)光學(xué)饋電系統(tǒng)光學(xué)饋電有時(shí)又叫空間饋電,分反射鏡式和透鏡式,如下圖所示。圖6.19光學(xué)饋電系統(tǒng)(a)透鏡系統(tǒng);(b)反射鏡系統(tǒng)

5.相掃天線饋電方式

由饋源送出的電波照射到反射面或透鏡孔面時(shí),由各輻射元接收,經(jīng)反射或透射,再由各輻射元輻射出去,只要孔面上輻射元足夠多,就可在空間形成窄波束。以適當(dāng)?shù)囊?guī)律改變反射鏡中或透鏡中各移相器的相對(duì)相移量,就可實(shí)現(xiàn)波束掃描。其中反射鏡式只有一個(gè)陣列面,各輻射元先接收電波,經(jīng)移相器移相后,傳輸?shù)侥┒?短路端)全反射,再移相后,由同一輻射元輻射出去。

由于饋源輻射的為球面波,使平面的透鏡或反射鏡陣列面的激勵(lì)相位因存在路徑差(球面徑差)而引起附加差異,造成掃描角誤差。這可以在結(jié)構(gòu)上或計(jì)算機(jī)配相時(shí)加以修正。例如使旁邊移相器的相移量小于中間移相器的相移量,以抵消球面徑差引起的附加相位遲后。球面波

強(qiáng)制饋電系統(tǒng)又稱為傳輸線饋電,這是因?yàn)樵谶@種饋電系統(tǒng)中，功率源到陣列元之間采用了一定數(shù)量的微波耦合元件和傳輸線。它可分為串聯(lián)饋電和關(guān)聯(lián)饋電。

2)強(qiáng)制饋電系統(tǒng)功率源陣列元微波耦合元件傳輸線(1)串聯(lián)饋電圖6.20串聯(lián)饋電示意圖(a)端饋電;(b)中心饋電

高頻信號(hào)以行波方式沿主饋線傳輸,經(jīng)定向耦合器依次給陣元饋電,調(diào)節(jié)耦合度,就可調(diào)節(jié)加到各陣元的功率的大小,實(shí)現(xiàn)振幅加權(quán)，降低副瓣。移相器可以放在各分支內(nèi)或串在主饋線內(nèi),后者在波束控制時(shí)各移相器的相移量相同,但要求移相器能承受大功率,且插入損耗小。

(2)并聯(lián)饋電圖6.21并聯(lián)饋電示意圖

它把整個(gè)陣列分成許多子陣列,每個(gè)子陣列傳輸通道電長度相同,發(fā)射功率以多級(jí)均分的方式饋給每個(gè)陣元,因而每個(gè)移相器承受功率都不大。適當(dāng)組合子陣列,并調(diào)整它們的相位和電流振幅,可得到良好的方向圖和掃描特性。

相陣天線的每一個(gè)陣元上均連接收發(fā)固態(tài)組件,組件中的功率源供給陣元所需的輻射功率,從而使每一個(gè)陣元都是有源的。發(fā)射功率的合成是由分布在天線陣面上多個(gè)功率源的輻射功率在空間完成的,這就要求各陣元功率源的高頻輻射信號(hào)間有嚴(yán)格的相位關(guān)系,并能根據(jù)天線方向性函數(shù)的要求來控制陣面的相位和振幅分布。APG-81有源電掃相控陣?yán)走_(dá)

3)有源陣

圖6.22收發(fā)組件原理框圖

有源陣中所用固態(tài)組件的功率源是低功率的,雷達(dá)所需的高功率是用多個(gè)陣元輻射功率在空間合成得到的。通常用的無源陣是用大功率發(fā)射機(jī)經(jīng)饋電系統(tǒng)將功率分配到各輻射陣元。美軍的機(jī)載APG-79有源相控陣(AESA)雷達(dá)

裝載的(AESA)有源相控陣?yán)走_(dá)

俄羅斯Sokol有源相控陣?yán)走_(dá)源相控陣?yán)走_(dá)的B-2隱形轟炸機(jī)兩個(gè)裝在機(jī)頭兩側(cè)的有源相控陣(AESA)天線孔徑“海鷹”三座標(biāo)固態(tài)無源相控陣?yán)走_(dá)

N011M無源相控陣?yán)走_(dá)

采用N011M無源相控陣?yán)走_(dá)的

Su-30MKI無源陣與有源陣相比，無源陣具有下列優(yōu)點(diǎn):

(1)由于功率源直接聯(lián)在陣元后面,故饋源和移相器的損耗不影響雷達(dá)性能;接收機(jī)的噪聲系數(shù)是由T/R組件中的低噪聲放大器決定的。(2)由于陣元輻射低功率,故所用饋源和移相器都是低功率容量,可以做得更輕便和便宜。(4)固態(tài)陣和數(shù)字波束形成技術(shù)及陣列信號(hào)處理相結(jié)合后在改善天線性能方面具有很大潛力。

(3)用大量低功率固態(tài)源取代易損壞的高電壓、大功率發(fā)射機(jī),提高了系統(tǒng)的可靠性。機(jī)載有源相控陣F-22

AESAAPG-77雷達(dá)

這種移相器以PIN二極管為控制元件,它利用了PIN管在正偏和反偏時(shí)的兩種不同狀態(tài),外接調(diào)諧元件LT和CT,構(gòu)成理想的射頻開關(guān)。

6.移相器圖6.23PIN二極管開關(guān)電路1)PIN二極管移相器

正偏壓時(shí),CT與引線電感Ls發(fā)生串聯(lián)諧振,使射頻短路;反偏時(shí),Ci和CT一起與LT發(fā)生并聯(lián)諧振而呈現(xiàn)很大的阻抗。這時(shí)可把PIN管看作一個(gè)單刀單擲開關(guān)。用兩只互補(bǔ)偏置的PIN管可構(gòu)成單刀雙擲射頻開關(guān)。利用PIN管在正偏和反偏狀態(tài)具有不同的阻抗或其開關(guān)特性，可構(gòu)成多種形式的移相器。PIN二極管

圖6.24開關(guān)線型移相器(a)換接線型;(b)環(huán)行器型

上圖畫出了兩種開關(guān)線型移相器,其中環(huán)行器用來提供匹配的輸入和輸出。開關(guān)在不同位置時(shí),有一個(gè)傳輸路徑差Δl,從而得到一個(gè)差相移Δφ=2πΔl/λg。這種移相器較簡單,但帶寬較窄。也可以利用PIN管正反向偏置時(shí)不同的阻抗值做成加載線移相器,或?qū)IN管與定向耦合器結(jié)合構(gòu)成移相器,它們都有較大的工作帶寬。

PIN管移相器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕,便于安裝在集成固體微波電路中,開關(guān)時(shí)間短(50ns~2μs),性能幾乎不受溫度的影響,激勵(lì)功率小(1.0~2.5W),目前能承受峰值功率約為10kW,平均功率約200W,所以是有前途的器件。缺點(diǎn)是頻帶較窄和插入損耗大。

2)鐵氧體移相器

其基本原理是利用外加直流磁場(chǎng)改變波導(dǎo)內(nèi)鐵氧體的導(dǎo)磁系數(shù),因而改變電磁波的相速,得到不同的相移量。圖6.25鐵氧體移相器(a)鐵氧體磁滯回線;(b)相移器結(jié)構(gòu)

上圖所示為常用的一種鐵氧體移相器,在矩形波導(dǎo)寬邊中央有一條截面為環(huán)形的鐵氧體環(huán),環(huán)中央穿有一根磁化導(dǎo)線。根據(jù)鐵氧體的磁滯特性(見圖6.25(a)),當(dāng)磁化導(dǎo)線中通過足夠大的脈沖電流時(shí),所產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)也足夠強(qiáng)(它與磁化電流強(qiáng)度成正比),鐵氧體磁化達(dá)到飽和,脈沖結(jié)束后,鐵氧體內(nèi)便會(huì)有一個(gè)剩磁感應(yīng)(其強(qiáng)度為Br)。當(dāng)所加脈沖極性改變時(shí),剩磁感應(yīng)的方向也相應(yīng)改變(其強(qiáng)度為-Br)。

這兩個(gè)方向不同的剩磁感應(yīng)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)腡E10波來說，對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的導(dǎo)磁系數(shù),也就是兩種不同極性的脈沖在該段鐵氧體內(nèi)對(duì)應(yīng)有兩個(gè)不同的相移量,這對(duì)二進(jìn)制數(shù)控很有利。鐵氧體產(chǎn)生的總的相移量為這兩個(gè)相移量之差(稱差相移)。只要鐵氧體環(huán)在每次磁化時(shí)都達(dá)到飽和,其剩磁感應(yīng)大小就保持不變,這樣，差相移的值便取決于鐵氧體環(huán)的長度。承受功率較高，插入損耗較小，帶寬較寬。其缺點(diǎn)是：所需激勵(lì)功率比PIN管移相器大，開關(guān)時(shí)間比PIN管移相器長，較笨重。

鐵氧體環(huán)的兩個(gè)不同數(shù)值的導(dǎo)磁系數(shù)分別由兩個(gè)方向相反的剩磁感應(yīng)來維持,磁化導(dǎo)線中不必加維持電流,因此所需激勵(lì)功率比其它鐵氧體移相器小。鐵氧體移相器的特點(diǎn)是:鐵氧體移相器的主要優(yōu)點(diǎn)是：

為了便于波束控制,通常采用數(shù)字式移相器。如果要構(gòu)成n位數(shù)字移相器,可用n個(gè)相移數(shù)值不同的移相器(PIN管的或鐵氧體的)作為子移相器串聯(lián)而成。每個(gè)子移相器應(yīng)有相移和不相移兩個(gè)狀態(tài),且前一個(gè)的相移量應(yīng)為后一個(gè)的兩倍。處在最小位的子相移器的相移量為Δφ=360°/2n,故n位數(shù)字移相器可得到2n個(gè)不同相移值。XZY-Ⅱ數(shù)字式三相移相器

3)數(shù)字式移相器

例如四位數(shù)字移相器,最小位的相移量為Δφ=360°/24=22.5°,故可由相移值分別為22.5°,45°,90°,180°的四個(gè)子相移器串聯(lián)而成,如圖7.26所示，每個(gè)子移相器受二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)中的一位控制,其中“0”對(duì)應(yīng)該子移相器不移相,“1”對(duì)應(yīng)移相。例如，控制信號(hào)為1010,則四位數(shù)字移相器產(chǎn)生的相移量為φ=1×180°+0×90°+1×45°+0×22.5°=225°四位數(shù)字移相器可從0°到337.5°，每隔22.5°取一個(gè)值,可取24=16個(gè)值。下圖

為四位鐵氧體數(shù)字移相器的原理圖。圖6.26四位數(shù)字移相器示意圖圖6.27鐵氧體數(shù)字移相器示意圖右圖天線陣面是由無數(shù)個(gè)鐵氧體移相器

數(shù)字移相器的移相量不是連續(xù)可變的,其結(jié)果將引起天線陣面激勵(lì)的量化誤差,從而使天線增益降低,均方副瓣電平增加,并產(chǎn)生寄生副瓣,同時(shí)還使天線主瓣的指向發(fā)生偏移。設(shè)數(shù)字移相器為B位,則量化相位誤差δ在±π/2B范圍內(nèi)均勻分布,誤差方差值為δ2=π2/3(22B),由此引起天線增益下降為(6.3.14)B=2時(shí),增益損失1dB;B=4時(shí),增益損失0.06dB,故選擇B=3~4時(shí),天線增益的損失均可容忍。

由相移量化誤差引起的均方副瓣電平增加可表示為

(6.3.15)此處N為天線陣的陣元數(shù);B=3時(shí),副瓣較主瓣低47dB;B=4時(shí),則副瓣低于主瓣53dB,對(duì)一般應(yīng)用是可以接受的。但由于實(shí)際的相移量化誤差分布不是隨機(jī)的而具有周期性,因而會(huì)產(chǎn)生寄生的量化副瓣。

在周期性三角形分布條件下，其峰值為1/22B,此值較大而需設(shè)法降低,一種辦法就是破壞其周期性規(guī)律。

相移量化所產(chǎn)生的最大指向誤差Δθ為(6.3.16)

式中，θB為波束寬度。例如B=4時(shí),Δθ/θB=0.049為可能產(chǎn)生的最大指向誤差。

如下圖所示,如果相鄰陣元間的傳輸線長度為l,傳輸線內(nèi)波長為λg,則相鄰陣元間存在一激勵(lì)相位差(6.3.17)7.3.4頻率掃描圖6.28頻掃直線陣列

改變輸入信號(hào)頻率f,則λg改變,Φ也隨之改變,故可實(shí)現(xiàn)波束掃描。這種方法稱為頻率掃描法。這里用具有一定長度的傳輸線代替了相掃法串聯(lián)饋電中插入主饋線內(nèi)的移相器,因此插入損耗小,傳輸功率大,同時(shí)只要改變輸入信號(hào)的頻率就可以實(shí)現(xiàn)波束掃描,方法比較簡便。

CRT顯示器中垂直或水平掃描頻率

通常l應(yīng)取得足夠長,這對(duì)提高波束指向的頻率靈敏度有好處(下面說明),所以Φ值一般大于2π,式(6.3.17)可改寫成(6.3.18)式中，m為整數(shù)；｜φ｜＜2π。

當(dāng)θ0=0,即波束指向法線方向時(shí),設(shè)λg=λg0(相應(yīng)的輸入信號(hào)頻率為f0),此時(shí)所有陣元同相饋電,上式中，φ=0,由此可以確定(6.3.19)

若θ0≠0,即波束偏離法線方向,則當(dāng)θ=θ0時(shí),相鄰陣元之間由波程差引起的相位差正好與傳輸線引入的相位差相抵消,故有得(6.3.20)式中，d為相鄰陣元間距；λ為自由空間波長(相應(yīng)輸入端信號(hào)頻率為f)。已知λ(或f),并算出λg,由式(6.3.20)可確定波束指向角θ0。λg根據(jù)傳輸線的特性及工作波長而定。圖6.29指向角θ0與相對(duì)頻移Δf/f0關(guān)系曲線(a)矩形波導(dǎo);(b)同軸線

上圖給出了陣元間距d=λ0/2時(shí)波束指向角θ0與頻率的關(guān)系曲線。λ0為波束指向法線方向時(shí)的自由空間波長,稱為法線波束波長,相應(yīng)的信號(hào)頻率為f0。圖中橫坐標(biāo)為相對(duì)頻移Δf/f0,Δf=f-f0,f為波束指向θ0方向時(shí)的信號(hào)頻率。虛線所示為f＜f0時(shí)的關(guān)系曲線。波束指向角θ0對(duì)頻率f的變化率叫波束指向的頻率靈敏度。由圖看出,m愈大,即l愈長(λg0一定),頻率靈敏度就愈高,也就是用較小的頻偏量Δf,可以獲得較大的波束掃描范圍。另外，可以看到f＜f0時(shí)的頻率靈敏度高于f＞f0,故在m和｜Δf｜相同的情況下,波束掃描范圍相對(duì)法線方向是不對(duì)稱的,一邊范圍大,而另一邊范圍小。

在頻掃雷達(dá)中,所用脈沖寬度不能太窄,因?yàn)樾盘?hào)從圖7.28所示的蛇形傳輸線的始端傳輸?shù)侥┒诵枰欢〞r(shí)間,只有當(dāng)脈沖寬度大于該傳輸時(shí)間時(shí),才能保證所有陣元同時(shí)輻射。如果脈沖太窄,勢(shì)必有一部分陣元因信號(hào)還未傳輸?shù)交蛞淹ㄟ^而不能同時(shí)輻射能量,引起波束形狀失真。由于頻掃雷達(dá)中波束指向角θ0與信號(hào)源頻率一一對(duì)應(yīng),也就是依據(jù)頻率來確定目標(biāo)的角坐標(biāo),因而雷達(dá)信號(hào)源的頻率應(yīng)具有很高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度,以保證滿足測(cè)角精度的要求。溫度變化導(dǎo)致波導(dǎo)熱脹冷縮,使l、d、α發(fā)生變化,從而改變波束指向,引起測(cè)角誤差。為了消除溫度誤差,可把頻掃天線置于一恒溫的天線罩內(nèi)或采用線膨脹系數(shù)小的金屬材料,或采用其它溫度補(bǔ)償方法。圖6.30頻掃天線直線陣(a)串聯(lián)頻掃陣列;(b)并聯(lián)頻掃陣列圖6.31簡單頻掃天線(a)寬壁耦合到偶極子輻射器;(b)窄壁與縫隙天線耦合圖6.32采用圓柱形反射器的頻掃天線圖6.33平面陣列天線6.4.1圓錐掃描自動(dòng)測(cè)角系統(tǒng)

1.基本原理6.4自動(dòng)測(cè)角的原理和方法

圖6.46圓錐掃描(a)錐掃波束;(b)垂直于等信號(hào)軸的截面

如圖(a)所示的針狀波束,它的最大輻射方向O′B偏離等信號(hào)軸(天線旋轉(zhuǎn)軸)O′O一個(gè)角度δ,當(dāng)波束以一定的角速度ωs繞等信號(hào)軸O′O旋轉(zhuǎn)時(shí),波束最大輻射方向O′B就在空間畫出一個(gè)圓錐,故稱圓錐掃描。如果取一個(gè)垂直于等信號(hào)軸的平面,則波束截面及波束中心(最大幅射方向)的運(yùn)動(dòng)軌跡等如圖(b)所示。圓錐掃描追蹤AIM-7M采用圓錐掃描雷達(dá)印度的“海王”正發(fā)射“海鷹”導(dǎo)彈

海鷹導(dǎo)彈初期的圓錐掃描雷達(dá)上游1號(hào)艦艦導(dǎo)彈

上游一號(hào)（SY-1）艦艦導(dǎo)彈＂上游＂－１甲

波束在作圓錐掃描的過程中,繞著天線旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),因天線旋轉(zhuǎn)軸方向是等信號(hào)軸方向,故掃描過程中這個(gè)方向天線的增益始終不變。當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí),接收機(jī)輸出的回波信號(hào)為一串等幅脈沖。饋源：單通道單脈沖，或圓錐掃描饋源SPART2系列雙軸自跟蹤遙測(cè)天線

如果目標(biāo)偏離等信號(hào)軸方向,則在掃描過程中波束最大值旋轉(zhuǎn)在不同位置時(shí),目標(biāo)有時(shí)靠近有時(shí)遠(yuǎn)離天線最大輻射方向,這使得接收的回波信號(hào)幅度也產(chǎn)生相應(yīng)的強(qiáng)弱變化。下面要證明,輸出信號(hào)近似為正弦波調(diào)制的脈沖串,其調(diào)制頻率為天線的圓錐掃描頻率ωs,調(diào)制深度取決于目標(biāo)偏離等信號(hào)軸方向的大小,而調(diào)制波的起始相位φ則由目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的方向決定。

在跟蹤狀態(tài)時(shí),通常誤差ε很小而滿足ε<<δ,由簡單的幾何關(guān)系可求得θ角的變化規(guī)律為θ≈δ-εcos(ωst-φ0)φ0為OA與x軸的夾角;θ為目標(biāo)偏離波束最大方向的角度,它決定了目標(biāo)回波信號(hào)的強(qiáng)弱。設(shè)收發(fā)共用天線,且其天線波束電壓方向性函數(shù)為F(θ),則收到的信號(hào)電壓振幅為

U=kF2(θ)=kF2(δ-εcos(ωst-φ0))將上式在δ處展開成臺(tái)勞級(jí)數(shù)并忽略高次項(xiàng),則得到

(6.5.1)U=kF2(θ)=kF2(δ-εcos(ωst-φ0))馬來西亞購新型偵察雷達(dá)可同時(shí)跟蹤100個(gè)目標(biāo)

上式中，U0=kF2(δ),為天線軸線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)收到的信號(hào)電壓振幅。對(duì)脈沖雷達(dá)來講,當(dāng)目標(biāo)處于天線軸線方向時(shí),ε=0,收到的回波是一串等幅脈沖;如果存在ε時(shí),收到的回波是振幅受調(diào)制的脈沖串,調(diào)制頻率等于天線錐掃頻率ωs,而調(diào)制深度正比于誤差角度ε。定義測(cè)角率為單位誤差角產(chǎn)生的調(diào)制度,它表征角誤差鑒別器的靈敏度。

誤差信號(hào)uc=Umcos(ωst-φ0)=U0mcos(ωst-φ0)的振幅Um表示目標(biāo)偏離等信號(hào)軸的大小,而初相φ0則表示目標(biāo)偏離的方向,例如,φ0=0表示目標(biāo)只有方位誤差。跟蹤雷達(dá)中通常有方位角和仰角兩個(gè)角度跟蹤系統(tǒng),因而要將誤差信號(hào)uc分解為方位和仰角誤差兩部分,以控制兩個(gè)獨(dú)立的跟蹤支路。其數(shù)學(xué)表達(dá)式，為uc=Umcos(ωst-φ0)=Umcosφ0cosωst+Umsinφ0

sinωst

即分別取出方位角誤差Umcosφ0=U0ηεcosφ0和仰角誤差Umsinφ0=U0ηεsinφ0。誤差電壓分解的辦法是采用兩個(gè)相位鑒別器,相位鑒別器的基準(zhǔn)電壓分別為Ukcosωst和Uksinωst,基準(zhǔn)電壓取自和天線頭掃描電機(jī)同軸的基準(zhǔn)電壓發(fā)電機(jī)?！吧裰邸比?hào)飛船蒙古著陸場(chǎng)站的監(jiān)控雷達(dá)對(duì)飛船持續(xù)跟蹤多普勒雷達(dá)，有具備地形跟蹤、地形F-111的地形跟蹤雷達(dá)及其圖像

圓錐掃描雷達(dá)中,波束偏角δ的選擇影響甚大。增大δ時(shí)該點(diǎn)方向圖斜率F′(δ)亦增大,從而使測(cè)角率加大,有利于跟蹤性能。與此同時(shí),等信號(hào)軸線上目標(biāo)回波功率減小,波束交叉損失Lk(與波束最大值對(duì)準(zhǔn)時(shí)比較)隨δ增大而增加,它將降低信噪比而對(duì)性能不利。綜合考慮,通常選δ=0.3θ0.5左右較合適,θ0.5為半功率波束寬度。2.圓錐掃描雷達(dá)的組成

圖6.47圓錐掃描雷達(dá)組成方框圖圖6.48一個(gè)向著雷達(dá)站飛行的目標(biāo)的接收信號(hào)的高頻波形6.4.2單脈沖自動(dòng)測(cè)角系統(tǒng)

單脈沖自動(dòng)測(cè)角屬于同時(shí)波瓣測(cè)角法。由于取出角誤差信號(hào)的具體方法不同，單脈沖雷達(dá)的種類有很多，我們介紹常用的振幅和差式單脈沖雷達(dá)，及相位和差單脈沖雷達(dá)。JL-7A型單脈沖火控雷達(dá)

HK-CD1單脈沖精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)

1.振幅和差式單脈沖雷達(dá)

1)基本原理圖6.49振幅和差式單脈沖雷達(dá)波束圖和差式單脈沖雷達(dá)測(cè)火山地震

雷達(dá)天線在一個(gè)角平面內(nèi)有兩個(gè)部分重疊的波束,振幅和差式單脈沖雷達(dá)取得角誤差信號(hào)的基本方法是將這兩個(gè)波束同時(shí)收到的信號(hào)進(jìn)行和、差處理,分別得到和信號(hào)與差信號(hào)。其中差信號(hào)即為該角平面內(nèi)的角誤差信號(hào)。

(1)角誤差信號(hào)

若目標(biāo)處在天線軸線方向(等信號(hào)軸),誤差角ε=0,則兩波束收到的回波信號(hào)振幅相同,差信號(hào)等于零。目標(biāo)偏離等信號(hào)軸而有一誤差角ε時(shí),差信號(hào)輸出振幅與ε成正比而其符號(hào)(相位)則由偏離的方向決定。和信號(hào)除用作目標(biāo)檢測(cè)和距離跟蹤外,還用作角誤差信號(hào)的相位基準(zhǔn)。

(2)和差比較器與和差波束。圖6.50雙T接頭及和差比較器示意圖

和差比較器是單脈沖雷達(dá)的重要部件,由它完成和、差處理,形成和差波束。用得較多的是雙T接頭,如上圖(a)所示,它有四個(gè)端口;Σ(和)端、Δ(差)端和1、2端。假定四個(gè)端都是匹配的,則從Σ端輸入信號(hào)時(shí),1、2端便輸出等幅同相信號(hào),Δ端無輸出;若從1、2端輸入同相信號(hào),則Δ端輸出兩者的差信號(hào),Σ端輸出和信號(hào)。和差比較器的示意圖如圖(b)所示,它的1、2端與形成兩個(gè)波束的兩相鄰饋源1、2相接。

發(fā)射時(shí),從發(fā)射機(jī)來的信號(hào)加到和差比較器的Σ端,故1、2端輸出等幅同相信號(hào),兩個(gè)饋源被同相激勵(lì),并輻射相同的功率,結(jié)果兩波束在空間各點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)同相相加,形成發(fā)射和波束FΣ(θ)。接收時(shí),回波脈沖同時(shí)被兩個(gè)波束的饋源所接收。兩波束接收到的信號(hào)振幅有差異,但相位相同。這兩個(gè)相位相同的信號(hào)分別加到和差比較器的1、2端。

這時(shí),在Σ(和)端,完成兩信號(hào)同相相加,輸出和信號(hào)。設(shè)和信號(hào)為EΣ,其振幅為兩信號(hào)振幅之和,相位與到達(dá)和端的兩信號(hào)相位相同,且與目標(biāo)偏離天線軸線的方向無關(guān)。

假定兩個(gè)波束的方向性函數(shù)完全相同,設(shè)為F(θ),兩波束接收到的信號(hào)電壓振幅為E1、E2,并且到達(dá)和差比較器Σ端時(shí)保持不變,兩波束相對(duì)天線軸線的偏角為δ,則對(duì)于θ方向的目標(biāo),和信號(hào)的振幅為

在和差比較器的Δ(差)端,兩信號(hào)反相相加,輸出差信號(hào),設(shè)為EΔ。若到達(dá)Δ端的兩信號(hào)用E1、E2表示,它們的振幅仍為E1、E2,但相位相反,則差信號(hào)的振幅為

EΔ=｜EΔ｜=｜E1-E2｜EΔ與方向角θ的關(guān)系用上述同樣方法求得EΔ=kFΣ(θ)［F(δ-θ)-F(δ+θ)］

=kFΣ(θ)FΔ(θ)式中

FΔ(θ)=F(δ-θ)-F(δ+θ)即和差比較器Δ端對(duì)應(yīng)的接收方向性函數(shù)為原來兩方向性函數(shù)之差,其方向圖如圖6.47(c)所示,稱為差波束。

現(xiàn)假定目標(biāo)的誤差角為ε,則差信號(hào)振幅為EΔ=kFΣ(ε)FΔ(ε)。在跟蹤狀態(tài),ε很小,將FΔ(ε)展開成臺(tái)勞級(jí)數(shù)并忽略高次項(xiàng),則因ε很小,上式中FΣ(ε)≈FΣ(0);η=FΔ′(0)/FΣ(0)。由上式可知,在一定的誤差角范圍內(nèi),差信號(hào)的振幅EΔ與誤差角ε成正比。

EΔ的相位與E1、E2中的強(qiáng)者相同。由于在Δ端E1

、E2相位相反,故目標(biāo)偏向不同,EΔ的相位差180°。因此,Δ端輸出差信號(hào)的振幅大小表明了目標(biāo)誤差角ε的大小,其相位則表示目標(biāo)偏離天線軸線的方向。和差比較器可以做到使和信號(hào)EΣ的相位與E1、E2之一相同。由于EΣ的相位與目標(biāo)偏向無關(guān),所以只要用和信號(hào)EΣ的相位為基準(zhǔn),與差信號(hào)EΔ的相位作比較,就可以鑒別目標(biāo)的偏向。總之,振幅和差單脈沖雷達(dá)依靠和差比較器的作用得到的和、差波束,差波束用于測(cè)角,和波束用于發(fā)射、觀察和測(cè)距,和波束信號(hào)還用作相位比較的基準(zhǔn)。

和差比較器Δ端輸出的高頻角誤差信號(hào)還不能用來控制天線跟蹤目標(biāo),必須把它變換成直流誤差電壓,其大小應(yīng)與高頻角誤差信號(hào)的振幅成比例,而其極性應(yīng)由高頻角誤差信號(hào)的相位來決定。這一變換作用由相位檢波器完成。為此,將和、差信號(hào)通過各自的接收通道,經(jīng)變頻中放后一起加到相位檢波器上進(jìn)行相位檢波,其中和信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)。相位檢波器輸出為U=KdUΔcos

φ

(3)相位檢波器和角誤差信號(hào)的變換

其中，UΔ∝EΔ,為中頻差信號(hào)振幅;φ為和、差信號(hào)之間的相位差,這里φ=0或φ=π,因此φ=0φ=π因?yàn)榧釉谙辔粰z波器上的中頻和、差信號(hào)均為脈沖信號(hào),故相位檢波器輸出為正或負(fù)極性的視頻脈沖(φ=π為負(fù)極性),其幅度與差信號(hào)的振幅即目標(biāo)誤差角ε成比例,脈沖的極性(正或負(fù))則反映了目標(biāo)偏離天線軸線的方向。把它變成相應(yīng)的直流誤差電壓后,加到伺服系統(tǒng)控制天線向減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。圖6.51畫出了相位檢波器輸出視頻脈沖幅度U與目標(biāo)誤差角ε的關(guān)系曲線,通常稱為角鑒別特性。圖6.51角鑒別特性

(4)單平面振幅和差單脈沖雷達(dá)的組成。圖6.52單平面振幅和差單脈沖雷達(dá)簡化方框圖

為了消除目標(biāo)回波信號(hào)振幅變化對(duì)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的影響,必須采用自動(dòng)增益控制。由和支路輸出的和信號(hào)產(chǎn)生自動(dòng)增益控制電壓。該電壓同時(shí)去控制和差支路的中放增益,這等效于用和信號(hào)對(duì)差信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,同時(shí)又能保持和差通道的特性一致?？梢宰C明,由和支路信號(hào)作自動(dòng)增益控制后,和支路輸出基本保持常量,而差支路輸出經(jīng)歸一化處理后其誤差電壓只與誤差角ε有關(guān)而與回波幅度變化無關(guān)。

(5)自動(dòng)增益控制

為了對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)方向跟蹤,必須在方位和高低角兩個(gè)平面上進(jìn)行角跟蹤,因而必須獲得方位和高低角誤差信號(hào)。為此,需要用四個(gè)饋源照射一個(gè)反射體,以形成四個(gè)對(duì)稱的相互部分重疊的波束。匹配吸收負(fù)載所吸收。

2)雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)

圖6.53雙平面振幅和差單脈沖雷達(dá)原理方框圖

如果用拋物面反射體產(chǎn)生兩組(方位和仰角)相互部分重疊的波束,則其饋源可采用多個(gè)偏焦且對(duì)稱配置的喇叭或一個(gè)多模饋源喇叭。

3)振幅和差單脈沖雷達(dá)的饋源

拋物面天線

我們知道,雷達(dá)接收信號(hào)功率與天線軸向增益平方成正比,在單脈沖雷達(dá)中,也就是與和波束增益平方成正比。而測(cè)角靈敏度則與波束交疊處的斜率有關(guān),通常用差波束在θ=0處的斜率表示。這個(gè)斜率稱為差斜率。它與差波束的寬度和最大輻射方向的增益有關(guān)。