公开讲座笔记 | 雷达学报 雷达系统微课 - 第三讲 相控阵雷达 与 '1 1=2'

第三讲 相控阵雷达 与 '1+1=2'

主讲人：海军工程大学，刘涛教授视频链接：【学报课堂 | 雷达系统微课 第三讲 相控阵雷达与“1+1=2”】 https://www.bilibili.com/video/BV1Gh4y1L7ty/?share_source=copy_web&vd_source=df7f4ac973cf1b719ee0d863f5ecf8f2

• 第三讲 相控阵雷达 与 '1+1=2'

• 相控阵天线实现扫描的原理

• 空域采样和时域采样

• 波束宽度和天线增益 随 波束指向的变化趋势

• 相扫天线孔径渡越时间/填充时间

• 未来展望

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• 传统扫描体制单天线雷达面临的挑战

• 难以胜任 高空高速隐身目标 + 低空慢速小目标

• 相控阵雷达

  

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• 在发射端，通过移相器 或 数字波束形成，实现无惯性波束扫描
• 在接收端，对各个天线单元接收信号进行采样，转换为数字信号
• 从而实现更加灵活的波束控制

相控阵天线实现扫描的原理

• 在均匀线阵和远场假设下，发射天线

  

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• 则，在偏离法线 方向的远场电场为：

• 以0号阵元为基准，则：

• ：移相器引入的滞后相位
• ：波程差带来的超前相位

• 由于波程差引起的相位差

• 利用等比数列求和，得到合成电场：

• 首项为：
• 公比为
• 最终的合成电场为：

• 可见，相控阵天线实现波束扫描的实质是：

• 只要改变移相器的值，就可以在不同的上获得最大增益值，这就实现了天线波束扫描

• 本质是：改变移相器的值，抵消阵元间波程差引起的相位差

  ✅ 从而实现某个方向上，电场矢量的同相叠加

• 也可以利用时间延迟线代替移相器
• 与 1+1=2 的思想一致

空域采样和时域采样

• 相控阵天线的阵列信号处理

• 实质上是空域信号处理

• 在不同空间位置采样

  

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• 时域SP理论可推广到空域

• 信号阵列不能无限长   相当于时域加窗   所以会出现旁瓣泄露

  

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• 天线间距过大   采样频率过低   角度估计空间模糊

  

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波束宽度和天线增益 随 波束指向的变化趋势

波束宽度

• 波束指向法线时

• 天线方向图如下

  

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• 可得半功率波束宽度，与常规天线半功率波束宽度基本一致 (D: 天线孔径)

• 当波束指向偏离法线时

• 天线主瓣宽度展宽

• 当阵列馈电不同相时，等效为同相阵面偏转

  

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• 该结论还可以推广到面阵

天线增益

• 当波束指向法向：

• 天线增益表达式

  

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• a b 为方位俯仰 天线孔径长度，为天线等效接收面积

• 当波束指向偏离法向时

• 有效孔径变为在上的投影

  

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结论

• 当扫描角增加时
• 波束宽度也增加
• 天线增益下降
• 性能下降

一般要求波束扫描角 小于等于 60度

• 意味着 至少 3个 天线阵才能覆盖半球

相扫天线孔径渡越时间/填充时间

• 指阵列两端两个天线阵元所辐射信号，到达位于偏离法线方向的同一目标的时间差

• 它应该足够小，以不影响各阵元处信号的包络

  

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• 需满足

• 其中L为阵列长度，
• 即
• 因此信号带宽必须足够小   以使较大阵列能够相干叠加

• 宽带相控阵的解决方案

• 利用时间延迟线等方法减小对带宽的限制

未来展望

• 相控阵雷达的发展趋势：
• 数字阵列雷达
• MIMO雷达
• 频率分集雷达
• 分布式雷达等
• 但本质都没有脱离矢量同相相加