自适应天线-电子科大20分析课件

第二章阵列天线及其相控阵概述2.1一维直线阵分析1均匀直线阵的阵因子为第二章阵列天线及其相控阵概述2.1一维直线阵分析1均匀1.无栅瓣条件第二个不等式更为严格，因此要求1.无栅瓣条件第二个不等式更为严格，因此要求2.零点位置由2.零点位置由3.波瓣宽度波瓣宽度指方向图主瓣的半功率点之间的夹角，可由下式解出扫描时，由侧射阵的波瓣宽度为端射阵的波瓣宽度为3.波瓣宽度波瓣宽度指方向图主瓣的半功率点之间的夹角，可由下4.副瓣位置和副瓣电平副瓣位置是指副瓣最大值所对应的角度，可由计算副瓣电平可由下式求出4.副瓣位置和副瓣电平副瓣位置是指副瓣最大值所对应的角度，可5.方向性系数5.方向性系数7

对于指定的旁瓣电平，其第一零点波束宽度为最窄；反之，对于指定的波束宽度，其旁瓣电平最低。综合得到的方向图为(NT为阵元数量)由于主瓣与副瓣之比r>1，因此其中M=NT-1,2.2一维直线阵综合2.2.1.切比雪夫综合法7对于指定的旁瓣电平，其第一零点波束宽度为最窄；反之，8

将阵列多项式与Chebyshev多项式进行匹配，使阵列的副瓣占据的区域，阵列的主瓣位于z0>1的区域，有

当NT

为偶数、阵元间距dx/0.5时，所需激励如下:8将阵列多项式与Chebyshev多项式进行匹配，使阵9

设计步骤：选取与阵列如下多项式同幂次（m=n-1）的切比雪夫多项式对于偶数个阵元对于奇数个阵元9设计步骤：10选取主瓣与副瓣之比r，并从下式中解出x0.

引入新的总量w，使得此时。以w取代中的变量x，令故波瓣图多项式和便可表示为w的多项式。10选取主瓣与副瓣之比r，并从下式中11使切比雪夫多项式和阵列多项式相等，即由此可解出阵列多项式的系数，然后得到阵列的口径电平分布。11使切比雪夫多项式和阵列多项式相等，即122.2.2泰勒综合法

对于大型阵列，Dolph-Chebyshev综合方法得出的是单调的口径分布，因此该方法会导致口径taperedefficiency降低.泰勒指出，由于Chebyshev方向图的所有副瓣电平均相等，因此导致tapered效率的损失。对于大型阵列，这就意味着更多的能量将集中于副瓣内。122.2.2泰勒综合法对于大型阵列，Dolph-Ch13泰勒建议，可以设计这样的方向图函数，使得靠近主瓣的方向图零点类似于Chebyshev方向图，但远离主瓣的零点位置对应于均匀分布的情况。

由泰勒综合法得到的64个点源阵列的方向图13泰勒建议，可以设计这样的方向图函数，使得靠近主瓣的方向图14副瓣比r即是F0

在z=0的值：

以上的理想方向图对应于另

一类Chebyshev方向图，其零点位置在：14副瓣比r即是F0在z=0的值：以上的理想方向15为了匹配两类零点，泰勒引入尺度因子σ

，通过调整零点的位置zn来拉伸空间因子，以使其中一个零点对应于。新的方向图函数变为：所需要的口径分布可以展开为有限项的傅里叶级数，且该口径分布函数在阵列的边缘处导数为零。15为了匹配两类零点，泰勒引入尺度因子σ，通过调整零点的16口径分布函数可以表示为16口径分布函数可以表示为172.2.3伍德沃特综合法一个均匀照射的阵列方向图有着如下的形式：均匀照射的阵列方向图是一组正交波束的叠加，因此可以用来综合所需要的方向图。一个长度为

L=Ndx的阵列，在u空间中将有N个波束覆盖大小为(N-1)/L的扇区，172.2.3伍德沃特综合法一个均匀照射的阵列方向图有着如下18

第i个波束由如下的相位步进

激励：其中n取值与i相同，方向图函数如下：

给定的方向图函数E(u)可以由在ui上的N个取样近似：

在每个阵元上的总电流即是形成所有波束的电流之和。对于第n个单元有：18第i个波束由如下的相位步进激励：其中n取19

正交波束平顶方向图的综合19正交波束平顶方向图的综合20

由伍德沃特法综合得到的64个点源阵列的脉冲形方向图sinc基函数（i=-13）20由伍德沃特法综合得到的64个点源阵列的脉冲形方向图s212.3相控阵扫描原理212.3相控阵扫描原理222.3.1波束跃度222.3.1波束跃度232324可以看出，为了降低波束跃度增加指向精度，需要增加移相器的位数；但是，移相器的结构尺寸和插入损耗也会相应的增加，显然这是不切实际的，因此需要引入移相器虚位技术。24可以看出，为了降低波束跃度增加指向精度，需要增加移相器的252.3.2虚位技术位技术虚位技术就是用位数较少的数字式移相器来实现较小的波束跃度的技术。当计算该移相器所需要的相移值时，

原始值：应有值：实际值：（取值为的整数倍，需要按照一定的方式配相）252.3.2虚位技术位技术原始值：（取值为

对于N元均匀线阵，如果采用5位数字移相器来取代9位数字式移相器，来实现波束跃度为0.2度的扫描波束（即9位移相器的最小波束跃度），则有以下的配相关系。这里p=1：n

在采用虚位技术舍去移相器最低四位之后，相当于将16个单元组成一个子阵，子阵内无扫描，但子阵间有扫描。

两个方向图相乘以后，波束指向将略往左偏移。——产生量化副瓣的原因对于N元均匀线阵，如果采用5位数字移相器来取代例1：N=32均匀直线阵列，阵元间距为半波长，波控数p=1，计算所用的移相器位数是9，实际移相器的位数只有5：图1-1虚位技术引起的寄生副瓣示意图

图1-2采用虚位技术的天线波束图图1-3采用虚位技术的天线波束图（主瓣区域放大）

例1：N=32均匀直线阵列，阵元间距为半波长，波控数p=1，282.4相控阵设计概述2.4.1相控阵的结构组成282.4相控阵设计概述2.4.1相控阵的结构组成292.4.2相控阵设计的关键参数292.4.2相控阵设计的关键参数302.4.3相控阵的辐射单元302.4.3相控阵的辐射单元31(g)Foldeddipole31(g)Foldeddipole322.4.3相控阵天线的T/R组件322.4.3相控阵天线的T/R组件333334X波段T/R组件的演变安装了T/R组件的相控阵34X波段T/R组件的演变安装了T/R组件的相控阵352.4.4相控阵的馈电方式无源阵列有源阵列无源相控阵和有源相控阵352.4.4相控阵的馈电方式无源阵列有源阵列无源相控阵和有36强制馈电方式等线长平面馈电等线长列馈36强制馈电方式等线长平面馈电等线长列馈37空间馈电方式37空间馈电方式38“砖块式”和“瓦片式”相控阵“砖块式”偶极子阵列“瓦片式”微带阵列2.4.5相控阵的结构38“砖块式”和“瓦片式”相控阵“砖块式”偶极子阵列“瓦片392.4.6典型相控阵介绍AN/APG-77●工作波段：X●单元数：2200●功率：16.4KW●体制：AESAPD波束锐化SARISAR●扫描范围：+/－60●冷却方式:液体冷却）●最高分辨率:

0.3米（ISAR方式）●作用距离：160英里●跟踪目标数量：30（空中目标），16（地面目标）392.4.6典型相控阵介绍AN/APG-77●工作波段：40AN/APG-81F-35上的APG-81拥有1200个发射/接收模块。APG一81的优势在于其对地工作模式，其合成孔径雷达地图测绘(SAR)/地面移动目标指示(GMTI)/海上移动目标指示能力等空对地/空对海工作模式上的性能则超过APG一77。虽然其对空中目标的探测距离远小于F-22A，但是APG一81的对空中目标的探测能力要远强于F/A一18系列和F-16系列战斗机的机载脉冲多普勒雷达。另外，F-35的APG-81雷达在成本和重量上都只是F一22的二分之一，而且其工作寿命有望达到了8000小时40AN/APG-81F-35上的APG-81拥有1200个41铺路爪相控阵雷达是美国上世纪70年代为应对洲际导弹威胁而研制的远程预警系统，其主要用途是担负战略性防卫任务，该雷达采用双面阵天线，工作频率420~450兆赫，探测距离一般为4800公里，对高弹道、雷达截面为10平方米的潜射弹道导弹的探测距离可达5550公里。雷达峰值功率582.4千瓦，平均功率145千瓦，全部设备都安装在32米高的多层建筑物内，两个圆形天线阵面彼此成60度，每个阵面后倾20度，直径约30米，由2000个阵元组成，扫描一次所需时间为6秒钟，平均无故障工作时间可达450小时，平均修复时间为1小时。铺路爪（PAVEPAWS）41铺路爪相控阵雷达是美国上世纪70年代为应对洲际导弹威胁而42海上巨眼平台(Sea-BasedX-BandRadar,SBX)平台高度：85米（280英尺）成员编制：86名雷达探测距离：2000公里（1242英里）排水量：50000吨此雷达包含许多小的雷达罩和一个重1814吨（4百万磅）的相位阵列雷达天线，此相位阵列雷达占地384平方米，拥有超过3万组传送接收（T/R）模组，这些传送接收模组大间格分布，这种分布方式使雷达可以追踪极远距离的目标，以支援战区高度区域防御系统外大气层目标导引所需，这个阵列雷达需要超过一百万瓦的电力运作。42海上巨眼平台(Sea-BasedX-BandRada43“宙斯盾”系统相控阵雷达AN/SPY-1/D功能：搜索、跟踪、制导

体制：无源相控阵

工作波段：S(3.1~3.5GHz)

探测距离(km)：370

峰值功率(MW)：4~6

平均功率(kW)：58

尺寸(每个阵面)(m)：3.65×3.65

辐射单元数：4350个(每个子阵2个单元)

重量(每个阵面)(t)：3.63最大搜索目标：400最大跟踪目标：10043“宙斯盾”系统相控阵雷达AN/SPY-1/D功能：搜索、第二章阵列天线及其相控阵概述2.1一维直线阵分析44均匀直线阵的阵因子为第二章阵列天线及其相控阵概述2.1一维直线阵分析1均匀1.无栅瓣条件第二个不等式更为严格，因此要求1.无栅瓣条件第二个不等式更为严格，因此要求2.零点位置由2.零点位置由3.波瓣宽度波瓣宽度指方向图主瓣的半功率点之间的夹角，可由下式解出扫描时，由侧射阵的波瓣宽度为端射阵的波瓣宽度为3.波瓣宽度波瓣宽度指方向图主瓣的半功率点之间的夹角，可由下4.副瓣位置和副瓣电平副瓣位置是指副瓣最大值所对应的角度，可由计算副瓣电平可由下式求出4.副瓣位置和副瓣电平副瓣位置是指副瓣最大值所对应的角度，可5.方向性系数5.方向性系数50

对于指定的旁瓣电平，其第一零点波束宽度为最窄；反之，对于指定的波束宽度，其旁瓣电平最低。综合得到的方向图为(NT为阵元数量)由于主瓣与副瓣之比r>1，因此其中M=NT-1,2.2一维直线阵综合2.2.1.切比雪夫综合法7对于指定的旁瓣电平，其第一零点波束宽度为最窄；反之，51

将阵列多项式与Chebyshev多项式进行匹配，使阵列的副瓣占据的区域，阵列的主瓣位于z0>1的区域，有

当NT

为偶数、阵元间距dx/0.5时，所需激励如下:8将阵列多项式与Chebyshev多项式进行匹配，使阵52

设计步骤：选取与阵列如下多项式同幂次（m=n-1）的切比雪夫多项式对于偶数个阵元对于奇数个阵元9设计步骤：53选取主瓣与副瓣之比r，并从下式中解出x0.

引入新的总量w，使得此时。以w取代中的变量x，令故波瓣图多项式和便可表示为w的多项式。10选取主瓣与副瓣之比r，并从下式中54使切比雪夫多项式和阵列多项式相等，即由此可解出阵列多项式的系数，然后得到阵列的口径电平分布。11使切比雪夫多项式和阵列多项式相等，即552.2.2泰勒综合法

对于大型阵列，Dolph-Chebyshev综合方法得出的是单调的口径分布，因此该方法会导致口径taperedefficiency降低.泰勒指出，由于Chebyshev方向图的所有副瓣电平均相等，因此导致tapered效率的损失。对于大型阵列，这就意味着更多的能量将集中于副瓣内。122.2.2泰勒综合法对于大型阵列，Dolph-Ch56泰勒建议，可以设计这样的方向图函数，使得靠近主瓣的方向图零点类似于Chebyshev方向图，但远离主瓣的零点位置对应于均匀分布的情况。

由泰勒综合法得到的64个点源阵列的方向图13泰勒建议，可以设计这样的方向图函数，使得靠近主瓣的方向图57副瓣比r即是F0

在z=0的值：

以上的理想方向图对应于另

一类Chebyshev方向图，其零点位置在：14副瓣比r即是F0在z=0的值：以上的理想方向58为了匹配两类零点，泰勒引入尺度因子σ

，通过调整零点的位置zn来拉伸空间因子，以使其中一个零点对应于。新的方向图函数变为：所需要的口径分布可以展开为有限项的傅里叶级数，且该口径分布函数在阵列的边缘处导数为零。15为了匹配两类零点，泰勒引入尺度因子σ，通过调整零点的59口径分布函数可以表示为16口径分布函数可以表示为602.2.3伍德沃特综合法一个均匀照射的阵列方向图有着如下的形式：均匀照射的阵列方向图是一组正交波束的叠加，因此可以用来综合所需要的方向图。一个长度为

L=Ndx的阵列，在u空间中将有N个波束覆盖大小为(N-1)/L的扇区，172.2.3伍德沃特综合法一个均匀照射的阵列方向图有着如下61

第i个波束由如下的相位步进

激励：其中n取值与i相同，方向图函数如下：

给定的方向图函数E(u)可以由在ui上的N个取样近似：

在每个阵元上的总电流即是形成所有波束的电流之和。对于第n个单元有：18第i个波束由如下的相位步进激励：其中n取62

正交波束平顶方向图的综合19正交波束平顶方向图的综合63

由伍德沃特法综合得到的64个点源阵列的脉冲形方向图sinc基函数（i=-13）20由伍德沃特法综合得到的64个点源阵列的脉冲形方向图s642.3相控阵扫描原理212.3相控阵扫描原理652.3.1波束跃度222.3.1波束跃度662367可以看出，为了降低波束跃度增加指向精度，需要增加移相器的位数；但是，移相器的结构尺寸和插入损耗也会相应的增加，显然这是不切实际的，因此需要引入移相器虚位技术。24可以看出，为了降低波束跃度增加指向精度，需要增加移相器的682.3.2虚位技术位技术虚位技术就是用位数较少的数字式移相器来实现较小的波束跃度的技术。当计算该移相器所需要的相移值时，

原始值：应有值：实际值：（取值为的整数倍，需要按照一定的方式配相）252.3.2虚位技术位技术原始值：（取值为

对于N元均匀线阵，如果采用5位数字移相器来取代9位数字式移相器，来实现波束跃度为0.2度的扫描波束（即9位移相器的最小波束跃度），则有以下的配相关系。这里p=1：n

在采用虚位技术舍去移相器最低四位之后，相当于将16个单元组成一个子阵，子阵内无扫描，但子阵间有扫描。

两个方向图相乘以后，波束指向将略往左偏移。——产生量化副瓣的原因对于N元均匀线阵，如果采用5位数字移相器来取代例1：N=32均匀直线阵列，阵元间距为半波长，波控数p=1，计算所用的移相器位数是9，实际移相器的位数只有5：图1-1虚位技术引起的寄生副瓣示意图

图1-2采用虚位技术的天线波束图图1-3采用虚位技术的天线波束图（主瓣区域放大）

例1：N=32均匀直线阵列，阵元间距为半波长，波控数p=1，712.4相控阵设计概述2.4.1相控阵的结构组成282.4相控阵设计概述2.4.1相控阵的结构组成722.4.2相控阵设计的关键参数292.4.2相控阵设计的关键参数732.4.3相控阵的辐射单元302.4.3相控阵的辐射单元74(g)Foldeddipole31(g)Foldeddipole752.4.3相控阵天线的T/R组件322.4.3相控阵天线的T/R组件763377X波段T/R组件的演变安装了T/R组件的相控阵34X波段T/R组件的演变安装了T/R组件的相控阵782.4.4相控阵的馈电方式无源阵列有源阵列无源相控阵和有源相控阵352.4.4相控阵的馈电方式无源阵列有源阵列无源相控阵和有79强制馈电方式等线长平面馈电等线长列馈36强制馈电方式等线长平面馈电等线长列馈80空间馈电方式37空间馈电方式81“砖块式”和“瓦片式”相控阵“砖块式”偶极子阵列“瓦片式”微带阵列2.4.5相控阵的结构38“砖块式”和“瓦片式”相控阵“砖块式”偶极子阵列“瓦片822.4.6典型相控阵介绍AN/APG-77●工作波段：X●单元数：2200●功率：16.4KW●体制：AESAPD波束锐化SARISAR●扫描范围：+/－60●冷却方式:液体冷却）●最高分辨率:

0.3米（ISAR方式）●作用距离：160英里●跟踪目标数量：30（空中目标），16（地面目标）392.4.6典型相控阵介绍AN/APG-77●工作波段：83AN/APG-81F-35上的APG-81拥有1200个发射/接收模块。APG一81的优势在于其对地工作模式，其合成孔径雷达地图测绘(SAR)/地面移动目标指示(GMTI)/海上移动目标指示能力等空对地/空对海工作模式上的性能则超过APG一77。虽然其对空中目标的探测距离远小于F-22A，但是APG一81的对空中目标的探测能力要远强于F/A一18系列和F-16系列战斗机的机载脉冲多普勒雷达。另外，F-35的APG-81雷达在成本和重量上都只是F一22的二