經(jīng)典雷達(dá)資料-第6章反射面天線2

1、·201·第6章 反射面天線多反射面天線2631拋物反射面的某些缺點(diǎn)可以通過(guò)增加次反射面來(lái)克服。附加反射面的外形決定主反射面上的功率將如何分布，并進(jìn)而提供孔徑上的振幅和相位控制。這能夠用于產(chǎn)生非常低的漏能，或者產(chǎn)生特定的低副瓣分布。次反射面也可用于把饋源異地使它靠近信號(hào)源或接收機(jī)。通過(guò)合理地選擇形狀，視在焦距可以被拉長(zhǎng)以方便饋源尺寸的選取，這對(duì)單脈沖工作有時(shí)是必要的。卡塞格倫天線（如圖6.21所示）來(lái)源于望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，是最普通的采用多反射面的天線。饋源照射雙曲面子反射面，反射后再照射拋物面主反射面。饋源置于雙曲面的一個(gè)焦點(diǎn)處，拋物面焦點(diǎn)位于雙曲面的另一焦點(diǎn)處。類似的天線是格

2、里哥利天線，它用橢球子反射面取代了雙曲面。圖6.21 卡塞格倫反射面天線：（a）示意圖；（b）幾何特性；（c）偏置雙反射面以下表達(dá)式描述卡塞格倫天線的參數(shù)間的關(guān)系： （6.17） （6.18） （6.19）式中，雙曲面的離心率e由下式給出： （6.20）等效拋物面426概念是一種分析輻射特性的方法，它假設(shè)同一饋源照射一個(gè)置于子反射面后面的具有同樣直徑的虛擬反射面。定義等效焦距fe和放大倍數(shù)m的方程為 （6.21） （6.22）因此，可以把饋源設(shè)計(jì)成對(duì)較長(zhǎng)的焦距在±yr角度范圍內(nèi)形成適當(dāng)?shù)恼丈?。典型的孔徑效率好?0%60%。對(duì)稱的卡塞格倫天線有較大的孔徑遮擋。選擇子反射面的直徑等于饋

3、源的直徑可使遮擋最小26，即 （6.23）式中，k是饋源孔徑的直徑與有效遮擋的直徑之比，一般稍小于。如果系統(tǒng)允許，采用極化扭轉(zhuǎn)反射面和由平行金屬線制成的子反射面能夠明顯地減小遮擋326。由于極化被扭轉(zhuǎn)，子反射面對(duì)二次波束是透明的。在雙反射面的情況下，通過(guò)既對(duì)饋源偏置又對(duì)子反射面偏置常常能夠消除遮擋（如圖6.21（c）所示）。由于遮擋和支架以及漏能實(shí)際上被消除，使之成為極低副瓣的候選方案32。它與增加饋源方案相結(jié)合可用于提供多波束或可控波束33。特殊用途的反射面幾種天線偶爾被用于特殊目的。一種是球反射面34，它可以掃描很寬的角度而只帶有很小的固定相位誤差，即眾所周知的球面像差。這種天線的基本原理

4、是，在小區(qū)域內(nèi)從圓心與表面連線的中點(diǎn)看，球的表面近似是拋物面。若沿半徑為R/2的圓周移動(dòng)饋源（這里R是圓形反射面表面的半徑），能夠使二次波束在反射面尺寸允許的任意角度范圍掃描。事實(shí)上，若饋源極化傾斜45°，且反射面由平行于極化的導(dǎo)體帶條構(gòu)成，則360°方位掃描可以實(shí)現(xiàn)。這時(shí)反射波的極化與導(dǎo)體帶條呈直角。這種天線被稱為半空間球面天線35。若只在方位平面內(nèi)掃描，反射面的高度維可以是拋物線以實(shí)現(xiàn)理想的俯仰聚焦。這是一種環(huán)形拋物面天線，已經(jīng)在固定雷達(dá)中得到應(yīng)用34。6.4 饋源因?yàn)榇蠖鄶?shù)雷達(dá)系統(tǒng)都工作在微波頻率（L波段及以上），反射面天線的饋源常常是某種形式的波導(dǎo)張開型喇叭。在較低

5、頻率（L波段及以下）有時(shí)采用偶極子饋源，特別是采用偶極子線陣來(lái)實(shí)現(xiàn)拋物柱面反射面的饋電。某些情形用到的其他類型饋源有波導(dǎo)縫隙、槽線和末端開口波導(dǎo)，但應(yīng)用最廣的還是波導(dǎo)張開型喇叭。拋物反射面（接收方式）將入射平面波轉(zhuǎn)換為中心在焦點(diǎn)的球面波前。因此，如果希望實(shí)現(xiàn)有方向性的天線方向圖的話，饋源必須是點(diǎn)源輻射器，即它們必須輻射球面波前（發(fā)射方式）。饋源必須具有的另一特性是對(duì)反射面的適當(dāng)照射，即以規(guī)定的振幅分布、最小漏能和具有最小交叉極化的正確極化方式進(jìn)行照射。饋源還必須能夠提供要求的峰值和平均功率電平，而在任何工作環(huán)境下不被擊穿。這些都是選擇或設(shè)計(jì)反射面天線的饋源的基本要素。其他因素還包括工作帶寬和是

6、單波束、多波束還是單脈沖天線。傳播主模TE01模的矩形（錐形）波導(dǎo)喇叭被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛蓾M足高功率和其他要求，雖然在某些情形也使用傳播TE11模的圓波導(dǎo)（錐形張開）饋源。這些單模、簡(jiǎn)單張開的喇叭能滿足僅有一種線極化筆形波束天線的需要。當(dāng)對(duì)天線性能提出更高要求，如極化分集、多波束、高效波束或超低副瓣時(shí)，饋源相應(yīng)地將更復(fù)雜。對(duì)這些天線，會(huì)用到分隔形、鰭形、多模和/或波紋喇叭。圖6.22示出一些類型的饋源，對(duì)它們更詳細(xì)的介紹參見(jiàn)天線方面的參考資料33637。圖6.22 反射面天線的各種饋源 6.5 反射面天線分析在計(jì)算天線輻射方向圖時(shí)，假定反射面遠(yuǎn)離饋源，使得其入射場(chǎng)具有球形波前。有兩種方法可獲

7、得反射面天線的輻射場(chǎng)238。第一種方法稱為電流分布法，由饋源的一次場(chǎng)在反射面上所感應(yīng)的電流計(jì)算場(chǎng)。第二種方法稱為孔徑場(chǎng)法，由孔徑平面內(nèi)的場(chǎng)分布獲得遠(yuǎn)場(chǎng)。無(wú)論是電流分布還是孔徑場(chǎng)分布都由幾何光學(xué)方法求得。兩種方法在極限時(shí)有同樣的結(jié)果。然而，與孔徑場(chǎng)法相比，電流分布法能夠解釋天線表面曲率對(duì)副瓣電平和極化的影響。而孔徑場(chǎng)法便于近似和估算?？讖綀?chǎng)法的另一問(wèn)題是，它假定來(lái)自表面的反射形成平面波前。這對(duì)焦點(diǎn)饋電的拋物反射面是正確的，否則不正確。因此，隨后的分析更多地采用電流分布法或感應(yīng)電流法。雖然大多數(shù)天線都是互易器件（接收和發(fā)射都有同樣的方向圖）,但是分析常常針對(duì)發(fā)射情形，即信號(hào)從饋源單元出發(fā)一直被跟蹤

8、到遠(yuǎn)場(chǎng)。另外，饋源處的極化是最純的，因此這點(diǎn)的矢量性質(zhì)知道得最清楚，且在許多教科書中都有論述。隨后的分析常常略去教科書中的公式中的常數(shù)，因?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)師的主要目的是確定主極化和正交極化的天線增益和方向圖。因此，設(shè)計(jì)師通常對(duì)從饋源輻射到球面的功率求積分來(lái)確定必要的歸一化因子。通常選擇饋源的磁場(chǎng)H，因?yàn)镴=n×H，故借助于表面法向矢量n可導(dǎo)出反射面表面電流J。假定主饋源輻射的H場(chǎng)H(u)，垂直于方向單位矢量u（如圖6.23所示）。它與饋源的類型，比如說(shuō)喇叭或者偶極子有關(guān)。這一H場(chǎng)被這樣歸一化，即進(jìn)入封閉球面的總功率（切向場(chǎng)絕對(duì)值的平方）等于1 W。這可以通過(guò)數(shù)值積分做到，并應(yīng)盡可能利用對(duì)稱

9、性以減少計(jì)算時(shí)間。賦形反射面天線通常用于賦形和分配能量，這使得它比對(duì)稱拋物反射面要復(fù)雜。因此，聚焦的反射拋物將反射聚集于一個(gè)公共平面，而賦形反射面則將反射聚集于許多平面。最一般的分析方法是將問(wèn)題按E場(chǎng)的分段求和處理。這一方法的另一優(yōu)點(diǎn)是，反射面外形也可以是最普通的。將反射表面分成面積為dA的矩形柵格（如圖6.24所示），它們將截獲饋源輻射場(chǎng)。于是，表面電流是經(jīng)微分面積和相位項(xiàng)修正的H場(chǎng)與表面法向矢量n的叉積，即 （6.24）式中，r是饋源到反射表面的距離；k=2p/l為波數(shù)。 圖6.23 饋源和歸一化幾何關(guān)系 圖6.24 反射面幾何關(guān)系 每個(gè)反射面柵格表示一個(gè)小的均勻照射區(qū)。它既含增益因子，又

10、含按Snell定律的反射方向。反射方向矢量s能夠?qū)懗?（6.25）每個(gè)柵格的微分表面反射受到方向圖因子的修正。方向圖因子,可用單位矢量s和方向圖的方向單位矢量p表示為 （6.26）這一因子將表面電流J修改成在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)觀察并投影到感興趣方向的形式。在遠(yuǎn)距離球面上，矢量p垂直于表面。感興趣的極化在表面處確定兩個(gè)矢量，它們既垂直于p，又相互垂直，即所考慮的主極化和交叉極化方向。這些單位矢量中，每一個(gè)與J的點(diǎn)積都給出主極化和交叉極化方向的場(chǎng)。通過(guò)在柵格數(shù)和計(jì)算每個(gè)柵格點(diǎn)的所有參量所需的時(shí)間之間取折中求出方向圖的解。當(dāng)所求方向圖遠(yuǎn)離方向圖峰值時(shí)，必須考慮由計(jì)算方法本身產(chǎn)生的人為柵瓣，出現(xiàn)這種情形時(shí)柵格密度

11、必須增加。取柵格尺寸為x時(shí)，人為柵瓣將出現(xiàn)在滿足的角度方向。這一計(jì)算工具的使用者常在正交平面內(nèi)對(duì)柵格密度進(jìn)行折中，以增加感興趣平面內(nèi)的計(jì)算精度。在一般情況下，計(jì)算這類方向圖時(shí)計(jì)算機(jī)最耗時(shí)的運(yùn)算是用于長(zhǎng)度也就是相位計(jì)算中的三角函數(shù)（正弦、余弦）和平方根的運(yùn)算。大量的技術(shù)都利用了包含方向圖中感興趣方向上的單位矢量的陣列以及這些方向的極化矢量和對(duì)稱性，從而使重復(fù)計(jì)算最少。文獻(xiàn)中有許多文章論述了怎樣用幾何繞射理論（GTD）計(jì)算反射面方向圖739。運(yùn)用GTD所遇到問(wèn)題在于，要把它推廣到諸如不規(guī)則天線外形的情況中。人們發(fā)現(xiàn)，GTD的主要用處是說(shuō)明天線在后半球的工作情況，但是對(duì)許多邊緣不規(guī)則的天線，需要對(duì)天

12、線做令人生畏的復(fù)雜描述。這時(shí)實(shí)現(xiàn)GTD分析常常是不切實(shí)際的。有時(shí)，對(duì)感興趣的特殊角度可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。6.6 賦形波束天線旋轉(zhuǎn)的搜索雷達(dá)，通常要求天線方向圖的方位波束寬度很窄以保證角度分辨力，俯仰方向圖被賦形以滿足多種需求。當(dāng)圓極化也是系統(tǒng)要求之一時(shí)，賦形反射面幾乎總是切合實(shí)際的選擇，因?yàn)閳A極化陣列是很昂貴的。典型的距離覆蓋要求大致上如圖6.25所示。在低仰角，最大作用距離是關(guān)鍵的要求。在探測(cè)高度-作用距離限制的交匯點(diǎn)以上，高度成為決定性的因素，從而導(dǎo)致余割平方方向圖的形狀。在更高的仰角，許多系統(tǒng)使用STC（靈敏度時(shí)間控制），這將要求這些角度上的作用圖6.25 雙程覆蓋要求的典型舉例距離增加

13、。對(duì)近距離小目標(biāo)，如鳥和昆蟲，在較低的仰角能夠引起雜波，STC是消除這些不希望的雷達(dá)回波的有效方法。通過(guò)描繪如圖6.26所示的作用距離與仰角關(guān)系曲線，考慮到作用距離與方向圖振幅成正比，上述雙程覆蓋要求的舉例就可轉(zhuǎn)化成對(duì)天線方向圖的要求。通過(guò)這一簡(jiǎn)單舉例，雷達(dá)工程師就可以確定與天線有關(guān)的許多系統(tǒng)要求，并討論如下。圖6.26 作用距離與仰角關(guān)系舉例增益估算為了估算波束賦形要求帶來(lái)的天線增益，設(shè)計(jì)師們意識(shí)到距離-角度關(guān)系圖描繪出最小作用距離要求。因此，方向圖必須覆蓋圖中曲線以上的部分，而不必延伸到曲線以下。同時(shí)，一個(gè)基本要求是，要使進(jìn)入天線的功率最小而又滿足覆蓋要求，這只能盡可能做到。第二個(gè)要求與轉(zhuǎn)

14、動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率有關(guān)，這使天線尺寸受到限制。它將在以后討論。但是，為了提高增益下列假設(shè)是合理的，即假定尺寸這樣確定：它使得反射面的一部分被賦形，從而使最終方向圖的-3 dB點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)曲線中距離限制段的兩個(gè)拐角。在余割平方覆蓋區(qū)和STC覆蓋區(qū)，存在某些紋波是不可避免的，典型值大約為±1 dB，因此設(shè)計(jì)曲線不得不抬高1 dB。天線的增益是方向圖峰值處的功率密度與同樣的功率各向同性輻射時(shí)的功率密度之比。對(duì)于這里考慮的賦形波束，將方位和俯仰波束形狀看做是相互無(wú)關(guān)的功率方向圖，F(xiàn)AZ和FEL。用方位角仰角表示，增益可寫為 （6.27）積分能夠分別進(jìn)行。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，方位功率方向圖可近似表示為高斯函數(shù)， （

15、6.28）式中，BWAZ為方位半功率波束寬度。該函數(shù)的峰值振幅為1，當(dāng)上下積分限為無(wú)窮大時(shí)（用正態(tài)分布理解）有 （6.29）下面來(lái)處理俯仰方向圖。圖6.26中的振幅方向圖必須轉(zhuǎn)化為功率方向圖。拋物冪函數(shù)是曲線的最低距離限制段中擬合兩個(gè)拐角的近似。峰值取1以使曲線歸一化。同時(shí)對(duì)覆蓋區(qū)域重新歸一化，并取增量為1 dB，可得到如圖6.27所示的曲線，這時(shí)積分很容易計(jì)算。圖6.27 可實(shí)現(xiàn)的方向圖舉例賦形波束天線設(shè)計(jì)一種成功的賦形波束設(shè)計(jì)過(guò)程是，把偏置拋物反射面各區(qū)段結(jié)合起來(lái)，反射面中每一相連的區(qū)段的指向比前一區(qū)段的指向稍高。這類設(shè)計(jì)的例子是圖6.14所示的ASR9天線。圖6.28示出每一區(qū)段的光學(xué)投

16、影?？梢钥闯鐾队板e(cuò)開饋源，遮擋不成為問(wèn)題。圖6.28 賦形波束設(shè)計(jì)過(guò)程天線的二維設(shè)計(jì)是通過(guò)在同一幅圖上建立兩條曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，兩條曲線均與總功率的一部分有關(guān)。一條曲線是饋源發(fā)射到反射面區(qū)段的功率與反射面區(qū)段的關(guān)系，另一條是方向圖中的部分功率與仰角的關(guān)系，如圖6.29所示。從曲線可知，每一個(gè)反射面區(qū)段所指的方向可以選擇。該過(guò)程用到計(jì)算機(jī)迭代，求解時(shí)基于假設(shè)的初始值。圖6.29 反射體-仰角積分的匹配天線尺寸天線的寬度實(shí)際上由波束寬度決定。饋源喇叭方向圖與空間衰減相結(jié)合提供分布漸變，這通常給出約30 dB的副瓣。因此，天線寬度可用下式估算： （6.30）式中，l為波長(zhǎng)；BWAZ為方位半功率波束寬度。

17、天線的高度是另一個(gè)要考慮的問(wèn)題。在增益估算一節(jié)中，建議將反射面的一個(gè)區(qū)段或幾個(gè)區(qū)段賦形以覆蓋最低的仰角區(qū)域。這將使反射面高度最小，但是也導(dǎo)致低仰角區(qū)最慢的跌落，這可能對(duì)設(shè)計(jì)師有很大的意義，也可能毫無(wú)意義。跌落影響水平線以下的功率，導(dǎo)致地面反射，它會(huì)產(chǎn)生波瓣分裂以及距離極限上的過(guò)沖。天線高度的估算公式可以從圖6.27中所描述的可實(shí)現(xiàn)功率方向圖FEL(q )導(dǎo)出，即 （6.31）式中，BWEL是俯仰平面中的3 dB波束寬度。精度通過(guò)使用計(jì)算機(jī)計(jì)算賦形反射面方向圖，在特定的覆蓋區(qū)域能夠達(dá)到合理的精度，比如說(shuō)，±1±2 dB。實(shí)踐中的某些困難在于，實(shí)現(xiàn)期望的饋源喇叭方向圖和使饋源支

18、架結(jié)構(gòu)對(duì)方向圖的影響最小等。盡管已經(jīng)做過(guò)大量的研究，饋源喇叭方向圖仍是難以捉摸的，也就是說(shuō)對(duì)具體的應(yīng)用不得不單獨(dú)處理。通常的做法是先估算喇叭尺寸，當(dāng)獲得可接受的方向圖時(shí)，改動(dòng)饋源尺寸以獲得需要的方向圖。一個(gè)困難的研究領(lǐng)域是饋源喇叭的邊緣漸變效應(yīng)，因?yàn)樗缶_控制喇叭方向圖在-25-15 dB范圍內(nèi)的水平，這時(shí)它具有最陡峭的斜率。賦形波束方向圖受反射面邊緣繞射的影響是非常嚴(yán)重的，因此，饋源方向圖的控制是設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。支撐結(jié)構(gòu)對(duì)方向圖也有嚴(yán)重的影響?？赡苄枰D(zhuǎn)板和擴(kuò)散器來(lái)使能量的散射偏離饋源或反射面。這些器件的實(shí)例可參見(jiàn)ASR9天線照片（如圖6.14所示）中支撐反射面和饋源組合的底盤和饋源

19、塔。6.7 設(shè)計(jì)方面的考慮饋源遮擋4041大多數(shù)反射面系統(tǒng)都受到饋源和饋源支架某種程度的遮擋，如果拋物面的頂點(diǎn)處于反射區(qū)。所形成的副瓣大小依賴于遮擋面積的平方，因此增加饋源、采用單脈沖饋源和子反射面有很大的影響。除非反射面的電尺寸小，否則在波束方向投影的反射面輪廓之外的任何位置，饋源遮擋一般都可以忽略。因此，常常通過(guò)反射面照射沿波束方向的投影來(lái)計(jì)算饋源上的近似照射強(qiáng)度。饋源及其支架有兩種影響：形成陰影或在要求的分布上形成空洞，以及散射被截獲的功率?？斩吹挠行С叽缈梢源笥谡趽跷锏耐队懊娣e并與極化有關(guān)。對(duì)于導(dǎo)電的遮擋物，有效尺寸是E面內(nèi)的實(shí)際尺寸，對(duì)寬為W高為d的支柱，H面內(nèi)的有效尺寸近似為。因此

20、，截面積約為0.125l，且平行于E場(chǎng)的支柱的遮擋比垂直于E場(chǎng)的支柱大3倍，對(duì)方向圖的影響大9倍?？斩磳?duì)前向方向圖的影響能夠用無(wú)擾動(dòng)天線方向圖減去饋源形狀所形成的方向圖來(lái)估算，如圖6.30所示。如果用不同的饋源支架，副瓣峰值取向的改變?nèi)鐖D6.31所示。應(yīng)注意的是，三腳架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的副瓣比四腳架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的要寬，但是峰值低6 dB。圖6.30 反射面遮擋的典型影響無(wú)遮擋方向圖（a）有符號(hào)交替的副瓣。每一支柱（b水平的和c垂直的）都貢獻(xiàn)一個(gè)方向圖，沿支桿軸向的方向圖較窄。饋源（d）貢獻(xiàn)一個(gè)與小尺寸相對(duì)應(yīng)的寬方向圖。圖6.31 饋源支架遮擋副瓣的比較注意：三腳架副瓣比四腳架副瓣低6 dB。天線的繞射副瓣

21、通常是相位交替的副瓣（若主波束相位為0 rad，則與主波束相鄰的副瓣是p rad），因此，常常認(rèn)為，遮擋的影響是一系列高、低、高副瓣。圖6.32示出置于圓反射面前面的不同尺寸饋源所期望的電平。圖6.32 用-23 dB, -30 dB, -40 dB無(wú)擾動(dòng)副瓣電平（SLL0）估算饋源遮擋饋源的絕大部分散射都返回到反射面。與反射面錯(cuò)開的那部分通常沒(méi)有意義，因?yàn)槠湓鲆婧透卑甓己艿?，影響也較小。返回到反射面的那部分則是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗环瓷涿婢劢钩啥尾ㄊB加到原始波束上。反射波束通常比原始波束寬，形成對(duì)頻率敏感的第一副瓣，如圖6.33所示。圖6.33 二次環(huán)繞散射常常由饋源邊緣引起，使二次方向圖變寬可以采用除了偏置反射面之外的一些技術(shù)來(lái)減小饋源和饋源支架遮擋。支架可以用介質(zhì)管制作，以改變被截獲信號(hào)的相位。如果附加延遲的相位總是小于60°，便帶來(lái)額外的好處，即它將附加一個(gè)與副瓣正交的電平，從而只影響零點(diǎn)而不影響峰值。如果延遲大于60°，介質(zhì)柱的影響將比金屬柱更