雷达阵列天线介绍
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■开课目的
“阵列天线分析与综合”是电子信息工程专业电磁场与微波通信方向的专业选修课程。课程的任务是使学生掌握阵列天线的基本理论、基本分析与综合方法,掌握单脉冲阵列、相控阵扫描天线的基本理论和概念、以及阵列天线的优化设计思想,培养学生分析问题和解决问题的能力,为今后从事天线理论研究、工程设计和开发工作打下良好的基础。
■课程要求
●约有五次作业
●考核
平时成绩占20%。包括平时作业,出勤情况。
期末考试成绩占80%(一页纸开卷)
雷达阵列天线简介
1、“AN/SPY—1”S波段相控阵雷达
是海军“宙斯盾”(Aegis)武器系统中的一部分,由RCA公司研制。它有四个相控阵孔径,提供前方半空间很大的覆盖范围。
接收时它使用带68个子阵的馈电系统,每个子阵包含64个波导辐射器,总共有68×64=4352个单元。
发射时,子阵成对组合,形成32个子阵,每个子阵128个单元,总共32×128=4096辐射单元。
移相器为5位二进制铁氧体移相器,直接向波导辐射器馈电。
为了避免相位量化误差引起的高副瓣电平,后来移相器改为7位二进制移相器,合成的相控阵由强制馈电功分网络馈电,辐射单元也改为4350个,单脉冲的和、差波瓣及发射波束均按最佳化设计。
AN/SPY—1天线正在进行近场测试(RCA公司电子系统部提供)
目前该系统安装在导弹巡洋舰上
导弹巡洋舰上的AN/SPY—1系统
2、爱国者(PATRIOT)多功能相控阵雷达
是Raytheon公司为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统。其天线系统使用光学馈电的透镜阵列形式。和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形,包含大约5000个单元,采用4位二进制铁氧体移相器和波导型辐射器单元。它安装在车辆上,并可平叠以便于运输。
爱国者多功能相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)
3、机载预警和控制系统(AW ACS)
世界上第一个具有超低副瓣的作战雷达天线是由西屋电气公司为AWACS 系统研制的。它取得成功后,便有很多产品紧随其后,而且常常得到比规定的副瓣电平还要低的副瓣。AWACS雷达天线是波导窄边缝隙阵列,有4000多个缝隙单元。该系统可用于空中监视的预警机,如下图所示。它在可一起转动的圆形天线罩内做机械旋转,在垂直面上用28个铁氧体精密移相器实现相控扫描。
AWACS预警机雷达天线波导窄边缝隙阵列(西屋公司提供)
4、电子捷变雷达
西屋电气公司以前为机载应用研制了这种X波段相控阵雷达。后来此系统演化为B1-B轰炸机上的AN/APQ—164雷达,如下图所示。该图显示正在装配的这种雷达天线,它有1526个圆波导口辐射单元,组成的阵列为椭圆形孔径,每个单元都带有可逆铁氧体移相器,可以实现空间二维扫描。该系统有形成波束变化的灵活性,其口径相位的变化可以实现尖锐的笔形波束、余割平方波束、垂直扇形波束。极化可从垂直极化改变为圆极化。这是通过每个单元的可开关的法
薄片来实现。天馈系统还包括故障定位和隔离系统,拉第旋转器结合铁氧体/4
还有检测、校验系统,这可通过合成信号的变化来确定合适的相位分布(校正馈电系统的误差),检验激励幅度,并检查极化分集的功能。
正在装配的AN/APQ—164相控阵雷达天线(西屋公司提供)
5、多功能电扫描自适应雷达(MESAR)
这是一部具有挑战性的S波段固态相控阵雷达,它由英国海军部研究中心和Plessey雷达公司共同研制。阵面为1.8m×1.8m孔径,共有918个波导型辐射单元,如下图所示。采用4位二进制移相器,功率放大器为分立器件,有22%的带宽,2W输出功率。接收时信号在模块中被前置放大和移相,并在波束形成器中聚集成16个子阵,每一子阵都有各自的接收机,这些接收机的输出用8位A/D 转换器数字化,提供强大的自适应置零能力。
MESAR固态相控阵雷达天线(Plessey公司提供)
6、AN/TPS-70多波束阵列雷达
这是一种不用移相器相控扫描的低副瓣阵列,在方位上为低副瓣波束并采用机械旋转扫描,在俯仰面上实现多个波束以覆盖空间较大的范围。天线使用36根水平波导管,每根波导管上有94个缝隙以形成主瓣宽度为1.6o的方位窄波束。在俯仰面上,发射时激励22根波导管,产生20o的俯仰波束,该波束为赋形波
束,低仰角时的增益高,高仰角时的增益低;接收时来自全部36根波导的能量结合在一起产生6个同时波束以覆盖0~20o的仰角范围。6个波束的仰角宽度从最低波束的2.3o变化到6o。这6个波束均有自己的接收机,通过比较这些波束中的能量可提供仰角的单脉冲信息。
同时多波束的优点是,在强杂波环境中它能提供实现信号处理功能所需的时间。该雷达可运输。其作用距离240英里,有3MW的峰值功率和5KW的平均功率。该雷达及其改型已在全世界广泛使用。
AN/TPS-70多波束阵列雷达天线(西屋公司提供)
7、AN/TPQ-37武器定位雷达
又称火力搜索雷达,为美军陆军装备,由休斯(Hughes)飞机公司研制。用来探测炮弹弹道,并反向寻找其发射点。该雷达使用有限扫描相控阵,它能在方位上提供宽扫描角,在仰角上提供有限的扫描角,有限扫描范围将大大减少移相器数目。系统只使用360个二极管移相器,每个移相器控制阵列垂直线上的6个辐射单元。其峰值功率为4KW,平均功率为165W。
该雷达为单脉冲体制,其馈电网络可形成和波束、方位差波束和俯仰差波束,馈电网络由空气带状线和波导功分器组成。天线尺寸8×12×2(ft)3。在美国和其他国家和地区,以装备了数十套这种雷达。
AN/TPQ-37武器定位雷达(Hughes公司提供)
8、铺路爪(Pave Paes)雷达
该雷达由Raytheon公司研制。它用于提供弹道导弹的预警,也可实现对卫星的跟踪,它是超高频(UHF)固态相控阵雷达。一套系统包含孔径相互倾斜120o 的两部雷达,可提供240o的总观察范围,它可检测到3000英里处的10m2的目标。
铺路爪超高频固态相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)
9、丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)雷达
是Raytheon公司研制的一部庞大的L波段相控阵雷达,它是为收集国外洲际导弹试验情报而研制和部署的,其雷达天线如下图所示。它有一些与众不同的特性,它是一种稀疏阵列,直径为95ft,共有34768个单元,其中15360个单元