第三講 相控陣?yán)走_(dá) 與 '1+1=2'

主講人：海軍工程大學(xué)，劉濤教授視頻鏈接：【學(xué)報(bào)課堂 | 雷達(dá)系統(tǒng)微課 第三講 相控陣?yán)走_(dá)與“1+1=2”】 https://www.bilibili.com/video/BV1Gh4y1L7ty/?share_source=copy_web&vd_source=df7f4ac973cf1b719ee0d863f5ecf8f2

• 第三講 相控陣?yán)走_(dá) 與 '1+1=2'

• 相控陣天線實(shí)現(xiàn)掃描的原理

• 空域采樣和時(shí)域采樣

• 波束寬度和天線增益 隨 波束指向的變化趨勢(shì)

• 相掃天線孔徑渡越時(shí)間/填充時(shí)間

• 未來(lái)展望

• 傳統(tǒng)掃描體制單天線雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)

• 難以勝任 高空高速隱身目標(biāo) + 低空慢速小目標(biāo)

• 相控陣?yán)走_(dá)

  

• 在發(fā)射端，通過(guò)移相器 或 數(shù)字波束形成，實(shí)現(xiàn)無(wú)慣性波束掃描
• 在接收端，對(duì)各個(gè)天線單元接收信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)
• 從而實(shí)現(xiàn)更加靈活的波束控制

相控陣天線實(shí)現(xiàn)掃描的原理

• 在均勻線陣和遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)下，發(fā)射天線

  

• 則，在偏離法線 方向的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)為：

• 以0號(hào)陣元為基準(zhǔn)，則：

• ：移相器引入的滯后相位
• ：波程差帶來(lái)的超前相位

• 由于波程差引起的相位差

• 利用等比數(shù)列求和，得到合成電場(chǎng)：

• 首項(xiàng)為：
• 公比為
• 最終的合成電場(chǎng)為：

• 可見(jiàn)，相控陣天線實(shí)現(xiàn)波束掃描的實(shí)質(zhì)是：

• 只要改變移相器的值，就可以在不同的上獲得最大增益值，這就實(shí)現(xiàn)了天線波束掃描

• 本質(zhì)是：改變移相器的值，抵消陣元間波程差引起的相位差

  ? 從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)方向上，電場(chǎng)矢量的同相疊加

• 也可以利用時(shí)間延遲線代替移相器
• 與 1+1=2 的思想一致

空域采樣和時(shí)域采樣

• 相控陣天線的陣列信號(hào)處理

• 實(shí)質(zhì)上是空域信號(hào)處理

• 在不同空間位置采樣

  

• 時(shí)域SP理論可推廣到空域

• 信號(hào)陣列不能無(wú)限長(zhǎng)   相當(dāng)于時(shí)域加窗   所以會(huì)出現(xiàn)旁瓣泄露

  

• 天線間距過(guò)大   采樣頻率過(guò)低   角度估計(jì)空間模糊

  

  

波束寬度和天線增益 隨 波束指向的變化趨勢(shì)

波束寬度

• 波束指向法線時(shí)

• 天線方向圖如下

  

• 可得半功率波束寬度，與常規(guī)天線半功率波束寬度基本一致 (D: 天線孔徑)

• 當(dāng)波束指向偏離法線時(shí)

• 天線主瓣寬度展寬

• 當(dāng)陣列饋電不同相時(shí)，等效為同相陣面偏轉(zhuǎn)

  

• 該結(jié)論還可以推廣到面陣

天線增益

• 當(dāng)波束指向法向：

• 天線增益表達(dá)式

  

• a b 為方位俯仰 天線孔徑長(zhǎng)度，為天線等效接收面積

• 當(dāng)波束指向偏離法向時(shí)

• 有效孔徑變?yōu)樵?span>上的投影

  

結(jié)論

• 當(dāng)掃描角增加時(shí)
• 波束寬度也增加
• 天線增益下降
• 性能下降

一般要求波束掃描角 小于等于 60度

• 意味著 至少 3個(gè) 天線陣才能覆蓋半球

相掃天線孔徑渡越時(shí)間/填充時(shí)間

• 指陣列兩端兩個(gè)天線陣元所輻射信號(hào)，到達(dá)位于偏離法線方向的同一目標(biāo)的時(shí)間差

• 它應(yīng)該足夠小，以不影響各陣元處信號(hào)的包絡(luò)

  

• 需滿(mǎn)足

• 其中L為陣列長(zhǎng)度，
• 即
• 因此信號(hào)帶寬必須足夠小   以使較大陣列能夠相干疊加

• 寬帶相控陣的解決方案

• 利用時(shí)間延遲線等方法減小對(duì)帶寬的限制

未來(lái)展望

• 相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì)：
• 數(shù)字陣列雷達(dá)
• MIMO雷達(dá)
• 頻率分集雷達(dá)
• 分布式雷達(dá)等
• 但本質(zhì)都沒(méi)有脫離矢量同相相加