第三章 雷达天线及伺服系统

第三章 雷达天线及伺服系统
Functions of an Antenna
• The antenna is one of the most critical parts of a radar system. It performs the following essential functions: • It transfers the transmitter energy to signals in space with the required distribution and efficiency. This process is applied in an identical way on reception. • It ensures that the signal has the required pattern in space. Generally this has to be sufficiently narrow in azimuth to provide the required azimuth resolution and accuracy. • It has to provide the required frequency of target position updates. In the case of a mechanically scanned antenna this equates to the revolution rate. A high revolution rate can be a significant mechanical problem given that a radar antenna in certain frequency bands can have a reflector with immense dimensions and can weigh several tons. • It must measure the pointing direction with a high degree of accuracy
气象雷达原理与系统
电子工程学院 大气探测学院
主讲：何建新
3.1 天线的定义及作用
天线：辐射或接收无线电波的装置
天线作用:是自由空间传播和导行波（传输线）传播之间的
换能器。 发射（辐射）:把高频交流电转换成空间传播的电磁波（能量 集中到所要求方向的赋形波束内）。 接收:辐射的反过程，将空间传播的电磁波转换成高频交流电 ，并通过传输线（馈线）输送给接收机。 传输线（馈线）：传输微波能量或信息的装置
抛物面天线的参数选择
Parabolic Antennae 2、The Cassegrain Antenna
11
The Cassegrain Antenna
• Advantages • The feed radiator is more easily supported and the antenna is geometrically compact. • It provides minimum losses as the receiver can be mounted directly near the horn.
3.3.7 口径阻挡
• 在天线前方的障碍物可能改变口径照射及辐射方向 图。称为口径阻挡或口径遮蔽(Shadowing)。
• 一个重要的例子是在反射器型天线中由馈源及其支 持物引起的阻挡。
• 由于口径阻挡降低了增益，增加了副瓣，填充了零 点，因此降低了天线的性能。
• 口径阻挡的影响，可以用在无阻挡的口径的天线方 向图中减去由障碍物所产生的天线方向图的方法来 近似。
天线总辐射功率
3.3.3 辐射效率因子（1）
• 在雷达方程中应使用功率增益，因为它包括 了由天线引入的损耗。方向性增益总是大于 功率增益
• 功率增益和方向性增益可以用辐射效率因子 ρT（<1）联系起来，其关系如下式所示：
G = ρTGD
上面的方程式指出了从辐射方向图求方向性增益的步骤。 单位立体角内的最大辐射功率可由观察直接求得，而总辐射功 率可通过积分求出辐射方向图下面所含体积来得出。
η
=
Pr PA
=
ρT
6
天线增益与波瓣宽度之间的关系
天线增益与波瓣宽度之间的关系决定于口径 上的电流分布。“典型”的反射器天线有时可使用 粗略的经验公式：
G
≈
20 ,000 θ BφB
,θ B ,φ B分别是波瓣宽度
方向性增益和功率增益的定义都使用了最大辐 射强度。因此，这样定义的增益描述了辐射能量 的最大集中程度。
1
3.2 天线的分类
• 按工作性质： • 发射天线；接收天线
• 按波长： • 长波天线；中波天线；短波天线；微波天 线等
• 按天线原理： • 线天线；面天线
• 按波束扫描： • 机械扫描；电扫描（相控阵天线）
偶极子天线
方向性天线—线天线
面天线
口
口
口
径
径
径
喇叭天线
抛物面天线
透镜天线
由图可见，这类天线都是通过一个平面口径向外辐射电磁能量，因 此，这类天线称为面天线。
二、面天线
• 旋转抛物面天线 • 卡塞洛伦（Cassegrain）天线
10wk.baidu.com
1、旋转抛物面天线
旋转抛物面天线是在通信、 雷达和射电天文等 系统中广泛使用的一种天线, 它是由两部分组成的, 其一：抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面, 反射 面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以 金属层制成; 其二：置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。 馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反 射面, 而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物 面的轴向反射出去, 从而获得很强的方向性。
补充：基础知识--立体角
一个锥面所围成的空间部 分称为“立体角”。 定义立体 角是以锥的顶点为心，半径为 1的球面被锥面所截得的面积 来度量的，度量单位称为“立 体弧度”。所以一个球体的立 体角为4π
定义:Ω= S/R 2为立体角
即辐射球面上的一个面S占全部球面之比,如此称为立 体角
下图以极坐标绘出了典型的雷达天线的方向图。方向图中辐射最强
• Disadvantage: • The subreflector of a Cassegrain type antenna are fixed by bars. These bars and the secondary reflector constitute an obstruction for the rays coming from the primary reflector in the most effective direction
一、线天线
• 几乎任何形状的线均具有天线作用 • 例如：
• 简单的有对称振子、折合振子 • 复杂的有八木天线、对数周期天线
8
实例：
• 单极子天线
实例：八木天线
实例
实例：（Yagi-Uda antenna）
• 由一个有源振子(一般用折合振子)、一 个无源反射器和若干个无源引向器平行 排列而成的端射式天线（见图）。
• 方向性增益(方向性系数):衡量天线把能量集中到 某一特定方向的能力参数
最大辐射强度 GD = 平均辐射强度 辐射强度是指：在(θ ,φ) 方向上每单位立体角内的辐射功率。 用 P(θ ,φ) 表示
当有向天线在主射方向上与无向天线在同一距离处获得相等场强时，无 向天线所需的辐射功率 Pr0与有向天线的辐射功率 Pr之比值
的方向称为主射方向，辐射为零的方向称为零射方向。具有主射方向的
方向叶称为主瓣，其余称为副瓣。
z
后叶
副瓣 零射方向 1
2
2θ 0 2θ 0.5
主瓣
主射方向 1
1
零射方向 2
x
y
为了定量地描述主瓣的宽窄程度，通常定义：场强为主射方向上场
强振幅的
1 2
倍的两个方向之间的夹角称为半功率角，以2θ
0.5
表示；两个
3.3.4 有效孔径（口径）
• 天线对入射波所呈现的有效面积的量度。增 益G和有效面积Ae之间有如下关系：
G = 4πAe = 4πρe A
λ2
λ2
λ＝波长； A＝天线的实际面积； ρe＝天线的 口径效率
3.3.6 极化
• 极化方向定义为电场矢量的方向
7
3.3.8 几种种形式的天线介绍
• 线天线 • 面天线 • 裂缝天线 • 相控阵天线
示意图解
在这个房间，光线均
匀得照射在墙壁上
在这个房间，光线被 灯罩集中照射在一处
B图集中灯光强度与A图 均匀照射在墙壁的灯光 强度的比值为天线系统
增益
最大辐射强度 天线增益
平均辐射强度
5
方向性增益(方向性系数)的计算
GD
=
(最大辐射功率 / 单位立体角)
天线总辐射功率
4π
=
4π
(最大辐射功率 / 单位立体角)
零射方向之间的夹角称为零功率角，以 2θ 0 表示。
4
不同天线波束宽度的作用
天线的基本定理--互易性
• 在一定的条件下（实际上这些条件在雷达中 常能满足），天线的发射方向图和接收方向 图是一样的
• 发射天线和接收天线之间的唯一区别是发射 天线必须能承受较大的功率
3.3.2 增益、方向性系数、有效孔径
• 这种天线因日本人八木秀次和宇田新太 郎于1926年最先提出而得名，也称为八 木天线
9
实例：对数周期天线
Logarithmic Periodical Antennae
Logarithmic Periodical Antennae
• A log-periodic antenna is a broadband narrow-beam antenna that has impedance and radiation characteristics that are regularly repetitive as a logarithmic function of the excitation frequency. Log periodic antennas are arrays and consist of a system of fed elements which are connected by a crossed double line with each other. In the transmitting case, at first the wave spreads herself practically radiationlessly on the pathogene line. The attached and on the actual wavelength obtained far too short dipoles work merely as capacitive loading. Only if the dipoles come in the range of a third of the wavelength, the irradiation starts and several dipoles following each other are then involved in this one. This radiation active zone is limited by the dipole which approximately corresponds to the half of the wavelength.
两个增益都是角度函数。
3.3.5 天线的阻抗
• 天线输入阻抗：Zm=Rm+j*Xm， • 实部：电阻，功率损耗 • 虚部：阻抗，储存功率
• 天线的输入阻抗与发射机的内阻匹配时，可 得到最大输出功率；同理，接收时，接收机 可从天线获得最大输出。
• 不匹配的表示：驻波比，全称为电压驻波比 VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）
GD
=
4π
(最大辐射功率 / 单位立体角)
天线总辐射功率
G
＝
D
4π
P
(θ，
φ
) max
∫∫ P(θ ,φ )dθdφ
＝
4π B
式中B定义为波束面积(beam area)
B
=
∫∫
P (θ , φ )d θ d φ P (θ , φ )max
辐射效率因子（2）
任何实际使用的天线均具有一定的损耗，天线获得的 输入功率，只有其中一部分功率向空间辐射，另一部分被 天线自身消耗。因此，实际天线的输入功率大于辐射功 率。天线的辐射功率Pr与输入功率 PA 之比称为天线的效 率，以η 表示，即
2
感性认识--几种天线实物
微带天线
喇叭天线
相控天线
• 反射面天线（通信）
• 反射面天线（雷达）
3.3 雷达天线的基本参量（特性）
• 辐射方向图（包括波束宽度、副瓣电平） • 增益（有效孔径） • 阻抗（电压驻波比VSWR） • 其他：极化、带宽、扫描方式
3
3.3.1 辐射方向图
抛物面反射器天线辐射方向图