電子對抗原理6電掃描雷達

1、第六章：電掃描雷達第六章：電掃描雷達 6.1 概述概述 6.2 相控陣雷達相控陣雷達 6.3 有源相控陣雷達有源相控陣雷達 6.4 移相器移相器 6.5 頻率掃描雷達頻率掃描雷達 6.6 數(shù)字波束形成（數(shù)字波束形成（dbf）6.1 概述概述 n 機械掃描：機械掃描： 雷達在搜索目標(biāo)時，需要不斷改變波束的方向。雷達在搜索目標(biāo)時，需要不斷改變波束的方向。改變波束方向的傳統(tǒng)方法是改變波束方向的傳統(tǒng)方法是機械機械轉(zhuǎn)動天線，使波轉(zhuǎn)動天線，使波束掃過一定的空域、地面或海面束掃過一定的空域、地面或海面。n 機械掃描存在什么問題？機械掃描存在什么問題？n 如何解決？如何解決？n 電掃描電掃描 ： 利用電磁波的

2、相干原理，通過控制天線各陣元利用電磁波的相干原理，通過控制天線各陣元電流相位的變化來改變波束的方向，同樣可進電流相位的變化來改變波束的方向，同樣可進行掃描。行掃描。相控陣天線相控陣天線n “相控陣相控陣”即即“相位控制陣列相位控制陣列”，通過，通過控制相對控制相對相位相位，就可以控制輻射的方向；，就可以控制輻射的方向；n相控陣天線由許多輻射天線或單元按一定結(jié)構(gòu)排相控陣天線由許多輻射天線或單元按一定結(jié)構(gòu)排列而成，其方向圖的形狀和指向由各單元上電流列而成，其方向圖的形狀和指向由各單元上電流的相位和幅度決定；的相位和幅度決定；n 輻射單元可以是偶極子、開口波導(dǎo)或任何其它類輻射單元可以是偶極子、開口波

3、導(dǎo)或任何其它類型的天線（微帶天線、八木天線等）型的天線（微帶天線、八木天線等）電掃描雷達的特點電掃描雷達的特點n電掃描雷達主要形式：電掃描雷達主要形式： 相位掃描雷達相位掃描雷達 頻率掃描雷達頻率掃描雷達 數(shù)字波束數(shù)字波束形成（形成（dbf）n與機械掃描雷達相比，電掃描雷達與機械掃描雷達相比，電掃描雷達天線無需機械轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)對多目標(biāo)的同時搜天線無需機械轉(zhuǎn)動即可實現(xiàn)對多目標(biāo)的同時搜索和跟蹤索和跟蹤波束掃描靈活、快捷，多目標(biāo)跟蹤能力強波束掃描靈活、快捷，多目標(biāo)跟蹤能力強抗干擾能力強抗干擾能力強6.2 相控陣雷達相控陣雷達n 相控陣天線由許多輻射元組成，各單元之間以一相控陣天線由許多輻射元組成，各

4、單元之間以一定的距離分開。通過對饋到各陣元上的信號的幅定的距離分開。通過對饋到各陣元上的信號的幅度和相位進行控制，使各單元作用的總和構(gòu)成希度和相位進行控制，使各單元作用的總和構(gòu)成希望的方向圖；望的方向圖；n 陣列天線陣列天線常用的兩種形式是線陣列和面陣列（平常用的兩種形式是線陣列和面陣列（平面、曲面）。面、曲面）。線陣列天線示意圖線陣列天線示意圖 6.2.1 相控陣基本原理相控陣基本原理在與天線陣法線夾角為在與天線陣法線夾角為 的方向上，兩個陣的方向上，兩個陣元之間由波程差引起的相位差為元之間由波程差引起的相位差為sin2dmax1sin()d為最大單邊角度掃描范圍為最大單邊角度掃描范圍max

5、n個陣元在個陣元在方向遠區(qū)輻射場的矢量和為方向遠區(qū)輻射場的矢量和為( )ee2ksin110e()()()()()dnnjkeekokeaeeeeee為單個陣元的方向性系數(shù)為單個陣元的方向性系數(shù)為陣列的方向性系數(shù)為陣列的方向性系數(shù)( )ae利用等比級數(shù)求和公式及歐拉公式求和得利用等比級數(shù)求和公式及歐拉公式求和得12222222sin()1()2( )1sin()2nnnjjjjnnjajjjjneeeeeeeeee將上式取絕對值并歸一化，得陣列的方向函數(shù)為將上式取絕對值并歸一化，得陣列的方向函數(shù)為( )( )( )eafffmaxsin(sin)( )( )( )( )sin(sin)aaan

6、deefdenen考慮陣元的方向性考慮陣元的方向性式中式中 稱為陣元因子稱為陣元因子( )ef陣列天線方向圖陣列天線方向圖 歸一化辛格函數(shù)曲線歸一化辛格函數(shù)曲線 副瓣太高，有什么壞處？如何降副瓣？副瓣太高，有什么壞處？如何降副瓣？相位掃描原理示意圖相位掃描原理示意圖 偏離法線時的方向性函數(shù)為偏離法線時的方向性函數(shù)為 00sin(sinsin)( )sin(sinsin)ndfdnsin(sin)()sin(sin)andfdn法線方向法線方向波束指向波束指向0由方向函數(shù)可得到以下幾點結(jié)論：由方向函數(shù)可得到以下幾點結(jié)論： n 在掃描平面內(nèi)，隨掃描波束離開法線方向，半功在掃描平面內(nèi)，隨掃描波束離開

7、法線方向，半功率率主瓣寬度將變寬主瓣寬度將變寬，波瓣寬度近似與，波瓣寬度近似與 成正比；成正比；n 天線增益天線增益隨隨 的增大而減小。的增大而減小。 1/cos()oo180200220240260280300320340360-60-50-40-30-20-100674mhzdbf方 位 碼 (度 )歸一化增益(db) 法 線 方 向正 30度負 30度由方向函數(shù)可得到以下幾點結(jié)論由方向函數(shù)可得到以下幾點結(jié)論： n柵瓣柵瓣隨單元間距和隨單元間距和 的增大而增大的增大而增大o180200220240260280300320340360-70-60-50-40-30-20-100674mhzd

8、bf方 位 碼 (度 )歸一化增益(db) 法 線 方 向正 35度負 35度180200220240260280300320340360-60-50-40-30-20-100 x: 246y: -2.985674mhzdbf方 位 碼 (度 )歸一化增益(db)x: 257y: -2.994x: 325y: -3.021x: 333.6y: -3法 線 方 向正 40度負 40度方向圖和增益測試方法方向圖和增益測試方法 22dn 遠場條件遠場條件方向圖和增益測試方法方向圖和增益測試方法 n 微波暗室：緊縮場測試微波暗室：緊縮場測試6.2.2 相控陣雷達的基本結(jié)構(gòu)相控陣雷達的基本結(jié)構(gòu) 按天線陣

9、元是否有發(fā)射機，分成兩種形式：按天線陣元是否有發(fā)射機，分成兩種形式： 1）無源相控陣列無源相控陣列，整個天線共用一個發(fā)射機；，整個天線共用一個發(fā)射機； 2）有源相控陣列有源相控陣列，每個（或一組）天線陣元共，每個（或一組）天線陣元共用一個發(fā)射機和接收機（用一個發(fā)射機和接收機（t/r組件組件）。）。一種無源相控陣雷達框圖一種無源相控陣雷達框圖 無源相控陣天線無源相控陣天線 n 饋電網(wǎng)絡(luò)饋電網(wǎng)絡(luò)可以是功率分配（合成）器（稱之為強可以是功率分配（合成）器（稱之為強制饋電），也可以是喇叭和空氣介質(zhì)（稱之為空制饋電），也可以是喇叭和空氣介質(zhì)（稱之為空間饋電）；間饋電）；n 饋電網(wǎng)絡(luò)具有射頻波束形成的功能

10、以實現(xiàn)無源相饋電網(wǎng)絡(luò)具有射頻波束形成的功能以實現(xiàn)無源相控陣雷達的多波束（例如控陣雷達的多波束（例如和波束和波束、差波束差波束）；）；n 由于這種相控陣雷達的天線面一般是由無源器件由于這種相控陣雷達的天線面一般是由無源器件構(gòu)成的，因此稱為構(gòu)成的，因此稱為無源相控陣雷達無源相控陣雷達。今后雷達的發(fā)展趨勢今后雷達的發(fā)展趨勢n 波束捷變波束捷變，意味著電掃描，意味著電掃描n 自適應(yīng)自適應(yīng)，趨向于數(shù)字設(shè)計，趨向于數(shù)字設(shè)計n 低截獲概率低截獲概率（lpi），對波形設(shè)計、天線設(shè)計），對波形設(shè)計、天線設(shè)計均有嚴格要求均有嚴格要求n 抗干擾抗干擾，意味著天線超低旁瓣，波束、頻率、，意味著天線超低旁瓣，波束、頻率

11、、波形、波形、prt捷變，自適應(yīng)信號處理捷變，自適應(yīng)信號處理n 高可靠性高可靠性，固態(tài)發(fā)射機，有源陣，固態(tài)發(fā)射機，有源陣n 有效成本，意味著組件可大批量生產(chǎn)有效成本，意味著組件可大批量生產(chǎn)6.3 有源相控陣雷達有源相控陣雷達n無源相控陣雷達有什么不足？無源相控陣雷達有什么不足？n有源相控陣雷達是相對無源相控陣雷達而言的。有源相控陣雷達是相對無源相控陣雷達而言的。特征是每一單元（或一組單元）接有一發(fā)射機特征是每一單元（或一組單元）接有一發(fā)射機/接收機前端（即接收機前端（即t/r組件）。組件）。 由于其天線陣包含了大量的有源部件，所以被由于其天線陣包含了大量的有源部件，所以被稱之為有源相控陣雷達。

12、稱之為有源相控陣雷達。6.3.1 概述概述an/apg-79有源有源相控陣雷達相控陣雷達子陣有源相控陣結(jié)構(gòu)示意子陣有源相控陣結(jié)構(gòu)示意 有源相控陣天線有源相控陣天線 6.3.2 有源相控陣雷達的組成及特點有源相控陣雷達的組成及特點 雷達發(fā)射、接收時雷達發(fā)射、接收時t/r組件中的移相器相位不變。組件中的移相器相位不變。在發(fā)射方向上的目標(biāo)回波信號經(jīng)天線單元接收后，在發(fā)射方向上的目標(biāo)回波信號經(jīng)天線單元接收后，由由t/r組件中的組件中的lna放大并送子陣網(wǎng)絡(luò)相加，相放大并送子陣網(wǎng)絡(luò)相加，相加后的多通道信號送波束形成網(wǎng)絡(luò)，形成和信號、加后的多通道信號送波束形成網(wǎng)絡(luò)，形成和信號、方位差信號、仰角差信號，經(jīng)三

13、通道接收機放大方位差信號、仰角差信號，經(jīng)三通道接收機放大變換送信號處理機進行檢測，然后將目標(biāo)信息通變換送信號處理機進行檢測，然后將目標(biāo)信息通過接口設(shè)備送計算機進行數(shù)據(jù)處理，形成目標(biāo)軌過接口設(shè)備送計算機進行數(shù)據(jù)處理，形成目標(biāo)軌跡在顯示器上顯示。跡在顯示器上顯示。 雷達控制器根據(jù)雷達的功能和雷達目標(biāo)環(huán)境自適雷達控制器根據(jù)雷達的功能和雷達目標(biāo)環(huán)境自適應(yīng)的控制雷達的工作方式（搜索和跟蹤方式）應(yīng)的控制雷達的工作方式（搜索和跟蹤方式）和和波束指向波束指向。n 波束形成網(wǎng)絡(luò)：波束形成網(wǎng)絡(luò)： 模擬模擬：簡單可靠，但形成的波束固定，靈：簡單可靠，但形成的波束固定，靈活性差，不容易實現(xiàn)多波束；活性差，不容易實現(xiàn)多

14、波束； dbf（數(shù)字波束形成）：復(fù)雜、受信號帶（數(shù)字波束形成）：復(fù)雜、受信號帶寬限制，但形成的波束靈活可變，可自適寬限制，但形成的波束靈活可變，可自適應(yīng)處理。應(yīng)處理。有源相控陣雷達的特點有源相控陣雷達的特點 n發(fā)射機發(fā)射機效率高效率高n發(fā)射、接收發(fā)射、接收插入損耗低插入損耗低，探測距離遠，探測距離遠n可靠性高可靠性高n能能兼容陣列信號處理兼容陣列信號處理 n更更靈活的雷達資源管理靈活的雷達資源管理n但是：研制、調(diào)試復(fù)雜，成本高但是：研制、調(diào)試復(fù)雜，成本高6.3.3 有源相控陣雷達有源相控陣雷達的關(guān)鍵部件的關(guān)鍵部件t/r組件組件6.4 移相器移相器n 移相器應(yīng)該能快速地改變相移移相器應(yīng)該能快速地

15、改變相移n 根據(jù)使用材料可分為：根據(jù)使用材料可分為： 鐵氧體移相器、鐵氧體移相器、 鐵電陶瓷移相器、鐵電陶瓷移相器、 半導(dǎo)體二極管移相器、半導(dǎo)體二極管移相器、 分子極化控制移相器等分子極化控制移相器等 6.4.1 數(shù)字開關(guān)式移相器數(shù)字開關(guān)式移相器 n 改變相移量的最基本的方法是改變傳輸線改變相移量的最基本的方法是改變傳輸線 的長度的長度n 不同長度傳輸線間轉(zhuǎn)接有兩種基本形式：不同長度傳輸線間轉(zhuǎn)接有兩種基本形式： 并聯(lián)式并聯(lián)式 級聯(lián)式級聯(lián)式帶有帶有n個轉(zhuǎn)接線的數(shù)字開關(guān)個轉(zhuǎn)接線的數(shù)字開關(guān)并聯(lián)式移相器并聯(lián)式移相器 四比特數(shù)字開關(guān)級聯(lián)式移相器四比特數(shù)字開關(guān)級聯(lián)式移相器 中電集團中電集團13所產(chǎn)品所產(chǎn)品

16、-集成數(shù)控移相器集成數(shù)控移相器 中心頻率：中心頻率：30120mhz 帶寬：帶寬： 中心頻率中心頻率10% 移相范圍：移相范圍：03608位數(shù)控，最小步進：位數(shù)控，最小步進：1.4最大輸入功率最大輸入功率 po10dbm插損插損 3db接口：接口：sma，sip插針插針電源電源:+5v，15v總電流總電流:100ma 6.4.2 鐵氧體移相器鐵氧體移相器 鐵氧體是一種磁性元件，外加激勵脈沖電流時，鐵氧體是一種磁性元件，外加激勵脈沖電流時，它的磁化狀態(tài)改變，從而在高頻電路中得到所需它的磁化狀態(tài)改變，從而在高頻電路中得到所需要的相移量。要的相移量。6.5 頻率掃描雷達頻率掃描雷達n 通過改變雷達的

17、工作頻率來實現(xiàn)波束掃描通過改變雷達的工作頻率來實現(xiàn)波束掃描n 不是靠移相器不是靠移相器改變相位，而是改變相位，而是通過通過延遲線延遲線來產(chǎn)來產(chǎn)生相位差的生相位差的 串聯(lián)饋電頻掃線陣串聯(lián)饋電頻掃線陣 平面陣頻率掃描天線平面陣頻率掃描天線 相位相位頻率掃描陣列頻率掃描陣列 思考題思考題n頻率掃描的優(yōu)點是什么？頻率掃描的優(yōu)點是什么？n缺點是什么缺點是什么6.6 數(shù)字波束形成（數(shù)字波束形成（dbf）n波束形成是指在特定的方向上形成主瓣波束，波束形成是指在特定的方向上形成主瓣波束，接收有用信號并且抑制來自其它方向的干擾信接收有用信號并且抑制來自其它方向的干擾信號號n 波束形成方法：波束形成方法： 模擬方

18、法模擬方法，如射頻或中頻合成網(wǎng)絡(luò)，形成，如射頻或中頻合成網(wǎng)絡(luò)，形成 多波束復(fù)雜多波束復(fù)雜 數(shù)字方法數(shù)字方法（ dbf ），數(shù)字移相加權(quán)形成），數(shù)字移相加權(quán)形成 波束，可形成多波束（容易），可進行波束，可形成多波束（容易），可進行陣列陣列 信號處理信號處理dbf系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) dbf天線陣組成天線陣組成天線陣列天線陣列 接收模塊接收模塊a/d變換器變換器 數(shù)字波束形成器數(shù)字波束形成器ndbf陣組成陣組成dbf天線陣通道效正天線陣通道效正n 接收通道校正：接收通道校正： 誤差來源及校正誤差來源及校正2264.2025d dbf天線陣通道效正天線陣通道效正n天線測試和校正：天線測試和校

19、正： 誤差來源及校正誤差來源及校正 遠場條件遠場條件2264.2025d 22d051015-100-50050100150x: 10y: 131.7天 線 單 元 相 位 殘 差天 線 單 元相位殘差(度)被測天線被測天線輻射源輻射源相位殘差相位殘差dbf幾個概念幾個概念2exp(1) sin( )1:jkdkman 方向的導(dǎo)向矢量方向的導(dǎo)向矢量n 方向的合成波束方向的合成波束iia ix k分別為第分別為第i個個通道的復(fù)相修正系數(shù)和數(shù)據(jù)通道的復(fù)相修正系數(shù)和數(shù)據(jù) 1imjiiiiykak aex kdbf幾個概念幾個概念 1imjiiiiiykwak aex kn 方向的合成波束（加權(quán)）方向的合成波束（加權(quán)）iw為加窗為加窗180200220240260280300320340360-70-60-50-40-30