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相控阵雷达入门(2):相控阵雷达天线

作者

M先生

相控阵雷达入门(2):相控阵雷达天线

本篇是《相控阵雷达原理》第 2 章学习笔记。这是全书公式最密集的一章,我们放慢速度,一步步推导。

一、预备知识:什么是方向图?

天线在不同方向辐射(或接收)能力的强弱,画成图就是方向图。主瓣(最大辐射方向)之外的小峰叫副瓣(旁瓣)。衡量方向图有三个关键参数:

  • 波束宽度:主瓣半功率点(-3dB)之间的夹角 θ0.5\theta_{0.5},决定角度分辨力
  • 副瓣电平:副瓣峰值与主瓣峰值的比值,决定抗干扰能力
  • 增益:天线把功率集中到某一方向的能力

二、均匀直线阵的方向图推导(核心!)

2.1 建立模型

设 NN 个相同的天线单元沿直线等间距排列,间距为 dd,各单元激励电流幅度相等(均匀激励),第 ii 个单元的激励电流为:

Ii=aejiΔφI_i = a e^{j i \Delta\varphi}

其中 aa 是幅度,Δφ\Delta\varphi 是相邻单元之间的阵内相移(由移相器提供),i=0,1,…,N−1i = 0, 1, \dots, N-1。

2.2 空间相位差

目标方向与阵法线夹角为 θ\theta。相邻单元到目标的路程差为 dsin⁡θd\sin\theta,对应的空间相位差为:

Δψ=2πλdsin⁡θ\Delta\psi = \frac{2\pi}{\lambda} d\sin\theta

2.3 各单元在观察点处的场

第 ii 个单元在远区观察点处的电场强度可写成:

Ei=Kf(θ)⋅aejiΔφ⋅e−jiΔψE_i = K f(\theta) \cdot a e^{j i \Delta\varphi} \cdot e^{-j i \Delta\psi}

其中 KK 为比例常数,f(θ)f(\theta) 为单元天线的方向图函数。

注意第二项指数是阵内相移(移相器给的),第三项指数是空间传播相位差(路程差天然造成的)。两者相减,就是净相位。

2.4 总场强:等比数列求和

根据叠加原理,总场强是所有单元场的和:

E=∑i=0N−1Ei=Kaf(θ)∑i=0N−1eji(Δφ−Δψ)E = \sum_{i=0}^{N-1} E_i = K a f(\theta) \sum_{i=0}^{N-1} e^{j i (\Delta\varphi - \Delta\psi)}

令 u=Δφ−Δψu = \Delta\varphi - \Delta\psi,这是一个等比数列求和:

∑i=0N−1ejiu=1−ejNu1−eju\sum_{i=0}^{N-1} e^{j i u} = \frac{1 - e^{j N u}}{1 - e^{j u}}

利用恒等式 1−ejx=−2jejx/2sin⁡(x/2)1 - e^{jx} = -2j e^{jx/2} \sin(x/2):

1−ejNu1−eju=ej(N−1)u/2⋅sin⁡(Nu/2)sin⁡(u/2)\frac{1 - e^{jNu}}{1 - e^{ju}} = e^{j(N-1)u/2} \cdot \frac{\sin(Nu/2)}{\sin(u/2)}

忽略不影响幅度的相位因子 ej(N−1)u/2e^{j(N-1)u/2},取幅度,得到阵因子:

F(θ)=∣sin⁡(Nu2)sin⁡(u2)∣,u=Δφ−2πλdsin⁡θF(\theta) = \left| \frac{\sin\left(\dfrac{Nu}{2}\right)}{\sin\left(\dfrac{u}{2}\right)} \right|, \quad u = \Delta\varphi - \frac{2\pi}{\lambda} d\sin\theta

2.5 方向图函数

总方向图 = 单元因子 × 阵因子:

E(θ)=f(θ)⋅sin⁡(N2(Δφ−2πλdsin⁡θ))sin⁡(12(Δφ−2πλdsin⁡θ))\boxed{E(\theta) = f(\theta) \cdot \frac{\sin\left(\dfrac{N}{2}\left(\Delta\varphi - \dfrac{2\pi}{\lambda}d\sin\theta\right)\right)}{\sin\left(\dfrac{1}{2}\left(\Delta\varphi - \dfrac{2\pi}{\lambda}d\sin\theta\right)\right)}}

这就是线性相控阵天线方向图函数,本书 2.2.1 节的核心公式(式 2.11 附近)。

三、波束指向条件

当分子分母同时为 0 时(Nu2=mπ\dfrac{Nu}{2} = m\pi 且 u2=mπ\dfrac{u}{2} = m\pi),利用洛必达法则可得主瓣最大值为 NN。主瓣最大值出现在:

u=0⇒Δφ=2πλdsin⁡θ0u = 0 \quad\Rightarrow\quad \Delta\varphi = \frac{2\pi}{\lambda} d\sin\theta_0

即波束最大值指向 θ0\theta_0 的条件:

Δφ=2πλdsin⁡θ0\boxed{\Delta\varphi = \frac{2\pi}{\lambda} d \sin\theta_0}

这正好和第 1 章结论一致:移相器提供的阵内相移等于空间相位差,波束就指向那个方向。

当 u2=mπ\dfrac{u}{2} = m\pi(mm 为非零整数)而分子 ≠0\neq 0 时,出现栅瓣(不希望的额外大波瓣)。

四、波束宽度(分辨率)

4.1 主瓣宽度

主瓣零点之间宽度(第一零点波束宽度)可由 Nu/2=πNu/2 = \pi 解出:

sin⁡θ−sin⁡θ0=±λNd\sin\theta - \sin\theta_0 = \pm \frac{\lambda}{Nd}

当波束指向法线方向(θ0=0\theta_0 = 0),且 θ\theta 较小时:

θ0,null≈±λNd(rad)\theta_{0,\text{null}} \approx \pm \frac{\lambda}{Nd} \quad (\mathrm{rad})

半功率波束宽度近似为(NdNd 即阵列总长度 LL):

θ0.5≈0.886λNd≈λL (rad)\boxed{\theta_{0.5} \approx 0.886 \frac{\lambda}{Nd} \approx \frac{\lambda}{L} \ (\mathrm{rad})}

直觉:阵列越长(LL 越大)、波长越短(λ\lambda 越小),波束越窄,角度分辨力越高。N=100N=100、d=λ/2d=\lambda/2 时,θ0.5≈1°\theta_{0.5} \approx 1°。

4.2 扫描时的波束展宽

波束扫描到 θ0\theta_0 方向时,波束宽度会展宽:

θ0.5(θ0)≈θ0.5(0)cos⁡θ0\theta_{0.5}(\theta_0) \approx \frac{\theta_{0.5}(0)}{\cos\theta_0}

直觉:波束"斜着看"时,有效孔径在垂直于视线方向的投影变小(Lcos⁡θ0L\cos\theta_0),所以波束变宽。θ0=60°\theta_0 = 60° 时波束宽度翻倍。

五、栅瓣抑制:单元间距的选择

栅瓣会出现在 u/2=mπu/2 = m\pi(m=±1,±2,…m = \pm1, \pm2, \dots)的方向,即:

sin⁡θg=sin⁡θ0±mλd\sin\theta_g = \sin\theta_0 \pm \frac{m\lambda}{d}

要避免栅瓣进入可见空间(∣sin⁡θ∣≤1|\sin\theta| \le 1),必须满足:

d≤λ1+∣sin⁡θ0∣\boxed{d \le \frac{\lambda}{1 + |\sin\theta_0|}}

最大扫描角 θ0max⁡\theta_{0\max} 时的单元间距上限:

  • 扫描 ±60°\pm 60°:d≤λ/(1+0.866)≈0.536λd \le \lambda/(1+0.866) \approx 0.536\lambda,工程上常取 d≈λ/2d \approx \lambda/2
  • 法线附近扫描:d≤λd \le \lambda

直觉:单元间距大了省单元(省钱),但会出现栅瓣(把能量辐射到错误方向)。d=λ/2d = \lambda/2 是工程上最常用的折中。

六、方向图分解:平面相控阵天线

二维平面阵(M×NM \times N 单元,行间距 dyd_y,列间距 dzd_z)的方向图可以分解为两个一维阵因子的乘积:

E(θ,φ)=f(θ,φ)⋅Fy⋅FzE(\theta, \varphi) = f(\theta, \varphi) \cdot F_y \cdot F_z

其中:

Fy=sin⁡[N2(Δφy−2πλdysin⁡θcos⁡φ)]sin⁡[12(Δφy−2πλdysin⁡θcos⁡φ)]F_y = \frac{\sin\left[\dfrac{N}{2}\left(\Delta\varphi_y - \dfrac{2\pi}{\lambda}d_y\sin\theta\cos\varphi\right)\right]}{\sin\left[\dfrac{1}{2}\left(\Delta\varphi_y - \dfrac{2\pi}{\lambda}d_y\sin\theta\cos\varphi\right)\right]} Fz=sin⁡[M2(Δφz−2πλdzsin⁡θsin⁡φ)]sin⁡[12(Δφz−2πλdzsin⁡θsin⁡φ)]F_z = \frac{\sin\left[\dfrac{M}{2}\left(\Delta\varphi_z - \dfrac{2\pi}{\lambda}d_z\sin\theta\sin\varphi\right)\right]}{\sin\left[\dfrac{1}{2}\left(\Delta\varphi_z - \dfrac{2\pi}{\lambda}d_z\sin\theta\sin\varphi\right)\right]}

直觉:平面阵的方向图 = 两个方向"各自负责"的阵因子的乘积,这就是"方向图可分解"的含义。设计平面阵可以分别设计两个线阵。

单元按三角形排列(蜂窝状)比矩形排列可以在同样副瓣水平下节省约 13% 的单元数。

七、低副瓣的实现方法

副瓣会把干扰"引进来"、把能量"漏出去",所以越低越好。三种方法:

7.1 幅度加权(锥削)

给中间单元大电流、边缘单元小电流(如泰勒分布、切比雪夫分布)。边缘单元激励幅度按加权函数 aia_i 分布。

  • 优点:副瓣可压到 -40dB 以下
  • 缺点:主瓣变宽、增益损失。增益损失系数 η≈(∑ai)2N∑ai2\eta \approx \dfrac{\left(\sum a_i\right)^2}{N\sum a_i^2}

以常用的余弦平方加权为例,副瓣电平与波束展宽系数有明确对应关系(详见天线理论教材)。

7.2 密度加权(稀疏阵)

思路:不是调每个单元的电流大小,而是让"要不要这个单元"——中间密布单元、边缘稀疏布单元,等效出锥削效果。

  • 优点:可以用相同的、便宜的单元(等幅激励),省去衰减器
  • 缺点:阵面大、需要精确设计单元位置

发射相控阵天线功率增益公式(本书式 2.107~2.113):

G=η⋅4πAλ2=η⋅4πAλ2G = \eta \cdot \frac{4\pi A}{\lambda^2} = \eta \cdot 4\pi \frac{A}{\lambda^2}

其中 AA 为天线有效口径面积,η\eta 为口径效率(加权损失)。

7.3 相位加权

只改变相位(不动幅度)来近似实现低副瓣。实现简单但副瓣改善有限,常与其他方法组合。

八、共形相控阵天线

定义:阵面与载体表面贴合的天线(圆柱形、锥形、球形等)。

特点:

  1. 不破坏平台气动外形(导弹头锥、机头)
  2. 可实现 360° 覆盖(圆柱阵)
  3. 需要补偿不同观察方向的时延、相位、幅度差——这正是有源相控阵(每个单元后面接 T/R 组件)的强项,可用移相器和衰减器逐单元补偿

典型应用:美海军 CEC 项目中的舰载圆柱形相控阵雷达天线等。

九、多极化相控阵天线

极化:电磁波电场矢量在空间的变化轨迹(线极化、圆极化、椭圆极化)。

  • 多极化天线单元可以同时形成不同极化波
  • 雷达工作状态需要匹配极化,否则存在极化失配损失
  • 圆极化相控阵天线:接收任意线极化目标的回波都不至于完全丢失信号

十、本章核心公式卡片

内容公式
阵内相移与波束指向Δφ=2πλdsin⁡θ0\Delta\varphi = \dfrac{2\pi}{\lambda}d\sin\theta_0
阵因子F(θ)=∣sin⁡(Nu/2)sin⁡(u/2)∣F(\theta) = \left\vert\dfrac{\sin(Nu/2)}{\sin(u/2)}\right\vert
半功率波束宽度θ0.5≈λL (rad)\theta_{0.5} \approx \dfrac{\lambda}{L}\ (\mathrm{rad})
扫描波束展宽θ0.5(θ0)=θ0.5(0)cos⁡θ0\theta_{0.5}(\theta_0) = \dfrac{\theta_{0.5}(0)}{\cos\theta_0}
栅瓣抑制条件d≤λ1+sin⁡θ0max⁡d \le \dfrac{\lambda}{1 + \sin\theta_{0\max}}
天线增益G=η4πAλ2G = \eta\dfrac{4\pi A}{\lambda^2}

十一、一句话总结

天线方向图的本质是"干涉":单元的间距和相位差决定了波束的形状和指向。 均匀激励给最窄波束但副瓣高;幅度/密度/相位加权降低副瓣但付出波束展宽和增益损失。这些折中思维贯穿雷达系统设计始终。


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