什么是雷达天线?

什么是雷达天线?

[拼音]：leida tianxian

[外文]：radar antenna

雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标（方位、仰角和距离）中，有两个坐标（方位和仰角）的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。

主要参量

雷达天线的主要参量有方向图、增益和有效面积。

方向图

雷达天线具有一定形状的波束。由于波束是立体的，常用水平截面的波束形状(即水平方向图)和垂直截面的波束形状（即垂直方向图）描述。方向图呈花瓣状，故又称波瓣图(图1)。常规方向图只有一个主瓣和多个副瓣。副瓣电平通常低于主瓣20分贝以上，这样才可能用主瓣来分辨目标的方位和仰角。主瓣半功率点（0.707场强点）间的宽度称为波束宽度。

增益

雷达天线在最大辐射方向所辐射的功率与一假想的各向均匀辐射的天线在同一方向辐射的功率之比(其条件为两天线输入的功率相同)。增益G 表示雷达天线在发射时聚束的能力。

有效面积

雷达天线接收到的信号功率与来自最大辐射方向的信号的功率密度之比，即天线接收到的信号功率Pr=S×Ae。式中S为信号功率密度；Ae为天线有效面积，表示雷达天线在接收时捕获空中信号的能力。由互易定理可证明G＝4πAe/λ2，式中λ为信号波长。

对一定形式的天线，天线有效面积Ae与实际几何面积A成正比，即Ae=ηA。式中η为利用系数，一般小于1。

雷达天线设计的主要问题是：

（1）提高天线增益和有效面积，以加大雷达探测距离；

（2）压低天线副瓣电平，以减小测向模糊和提高抗干扰能力；

（3）提高波束扫描速率，以便能同时观察多个目标；

（4）展宽天线系统工作频带，以提高反有源干扰的能力；

（5）采用多种技术提高测角精度。

搜索雷达天线

搜索雷达又称警戒雷达，用于及时发现远距离目标。搜索雷达天线相当大，面积一般为数十至数百平方米。探测距离达几千公里的预警雷达的天线面积可达几千或几万平方米。这种天线有窄的水平波束（一度至十几度），借以得到一定的方位分辨力；有较宽的垂直波束，以得到较大的仰角覆盖(一般为30°～40°)。搜索雷达有两种典型的天线：阵列天线和反射面天线。

阵列天线

第二次世界大战初期的警戒雷达多工作在几十至几百兆赫的较低频率上，多采用阵列天线。这种阵列天线由一些辐射单元（半波振子、全波振子或八木天线等）按一定间距（半波长到1～2个波长）排在一平面内，并按一定分布馈电。这种天线效率高，造价低。辐射单元用半波振子（见对称天线）时带宽仅10％左右；而用全波振子作成的阵列天线带宽可达倍频程。采用八木天线排阵时，风阻小，结构轻便，机动性高，但副瓣电平不易压低。采用对数周期天线作为激励器的八木天线阵列，带宽也可达到倍频程。

反射面天线

当雷达工作频率提高到吉赫以上时便须使用特殊形状的反射面天线，使辐射能量在方位面内聚束，形成一个窄波束，而在仰角面内则使辐射能量按一定要求散布在一定的范围内，使波束具有赋与的形状，故这种反射面天线又称赋形波束天线。因为这种反射面不是旋转对称的，又称双弯曲反射面天线。如覆盖范围按自由空间等高线设计的，称为余割平方天线，它的增益对仰角的变化关系是余割平方函数；为减少近距离地物杂波影响而加强高仰角增益的天线，则称为超余割平方天线。抑制地物杂波更有效的办法是采用双波束技术，即在原馈源下面再放置一个接收馈源，产生一个指向高仰角的波束。这个波束不但使地物杂波减少10～20分贝，同时能增强高仰角目标回波，从而改善雷达的近距离高空性能。

跟踪雷达天线

跟踪雷达的天线在跟踪过程中连续地瞄准一个特定的目标。当目标偏离瞄准轴线时，天线给出偏轴误差信号，使伺服系统驱动天线消除误差信号。

波束圆锥扫描技术

在圆口径的抛物面天线（见反射面天线）上，使馈源侧向偏离焦点，形成一个与瞄准轴成一定角度的波束。然后，将馈源连续旋转，在空间形成圆锥形波束（图2）。当目标在瞄准轴上时，所有回波脉冲幅度相同，无误差信号。当目标偏离瞄准轴时，回波脉冲幅度产生起伏变化，形成与馈源旋转频率相同的交流误差信号。交流误差信号的大小决定于目标偏离瞄准轴的角度；交流误差信号的相位则决定于目标偏离瞄准轴的方向。

单脉冲和差波束技术

用两个形状相同、指向不同却又部分重叠的锐波束同时接收目标回波信号时，根据二波束收到的回波信号幅度差别可判别目标偏离瞄准轴的方向与大小。这种方法在原理上能根据单次发射产生的回波信号判定目标偏离瞄准轴的方向和大小，故称为单脉冲技术。为了避免两路接收通道不一致引起误差，可在馈电网络中把上述二波束合成另外两个波束，即和波束及差波束。为了同时确定目标方位和仰角偏差，50年代初把四喇叭馈源置于抛物面焦点上，形成方位面内和仰角面内的差波束及公共的和波束，后来又研制出五喇叭、十二喇叭和其他多模馈源。

三坐标雷达天线

在雷达天线连续旋转测量目标方位的同时，还能获得空中目标仰角全部信息的雷达，称为三坐标雷达。这种雷达的天线有多种波束体制。

V形波束测高体制

这是 40年代末出现的一种测高体制。用两部天线分别产生常规直立的和倾斜45°的两个余割平方波束。两天线同时旋转时，不同高度的飞机被两波束扫过的时间差不同，从而可获得目标高度信息（图3）。50年代末又出现两个反射体并成一体的V形波束测高雷达。但是，这种体制在仰角面上无分辨力，而且时间差与目标速度和方向有关，后来未断续发展。

多波束体制

在仰角面内用多个波束（6 ～12）叠接起来覆盖一定的仰角范围。由于每个波束的位置和形状是确定的，任一仰角上的目标都会在几个相邻波束中产生回波。比较这些回波幅度即可算出目标仰角(图4)。这种天线多采用多馈源偏焦馈电的抛物面天线。为了改善偏焦后的性能，反射面的焦距相对较长。也可用阵列天线产生多波束。

频率扫描天线体制

把很多辐射元排成一线，用一传输线依次馈电形成串馈天线。相邻辐射元间的传输线长度虽然固定不变，但输入信号频率变化时，相邻辐射元间相位差改变，即沿线源相位分布斜率改变，从而使波束方向在辐射元排列平面内发生变化。这种由信号频率连续变化所引起的波束指向的连续变化，称为频率扫描。为加大扫描角对频率的响应，传输线可使用蛇形波导或加载波导。若信号在雷达发射脉冲内连续变频，这样每发射一个脉冲即对覆盖区域扫描一次，因此数据率高。在三坐标雷达中，此法比较简单，造价较低。

一维相位扫描体制

在一个平面内（一般是垂直面内）排列一串辐射元，每个辐射元都经过各自的移相器馈电（图5），控制移相器的相移即可在这一平面内得到一维波束扫描。全固态器件的发展有利于这种体制的推广。三坐标雷达垂直波束较窄，单纯相扫数据率不高，但若结合频扫技术和多波束技术，如使用几个不同频率信号在一部天线上实现多波束相扫，可以同时提高数据率和仰角覆盖范围。

相控阵雷达天线

这种天线是固定不动的。由阵列中每一有源阵元所连接的移相器按照两维扫描所需的相移指令来移相，则波束可在一定的立体角内灵活扫描。相控阵天线的阵面多排列成圆形，以保持各向扫描特性的一致性并得到较低的副瓣。相控阵阵元数量极大，为降低造价可采用疏稀技术，使有源单元数目减少到几分之一。对相控阵可用馈线进行组合馈电，也可采用空间馈电（或称光学馈电）。空间馈电又分为透射式和反射式两类。

相控阵的扫描范围一般为±45°～±60°。为了减少垂直扫描范围，一般阵面上仰30°～45°；在方位面上使用三面或四面相控阵面才能得到 360°覆盖范围。70年代中期又出现只用一个阵面就能得到全空域覆盖的圆顶相控阵。相控阵与自适应技术相结合是今后研究重点之一。