15.单脉冲天线

hΣ ( x, y) = hΣx ( x) ⋅ hΣy ( y)
hΣx
(x)
=
⎧⎪1 , ⎨ ⎪⎩0,
c ≤ x ≤ c + 2b 其他点
hΣy
(
y
)
=
cos(
π 2a
y)
,
y ≤a
和状态下的馈源(初级)方向图为
fΣ
(θ
′,ϕ
′)
=
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(1
+
cosθ
′)
cos(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
cos(at2 )
f
Δα
(θ
′,ϕ
′)
=
(1
+
cosθ
′)
sin(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
(π 2
cos at2 )2 − (at2
)2
f
Δβ
(θ
′,ϕ
′)
=
(1
+
cosθ
′)
cos(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
π
sin at2 2 − (at2
)2
经坐标变换后 fΔα (θ ′,ϕ ′) = fΔα ( x, y) ， fΔβ (θ ′,ϕ ′) = fΔβ (x, y) ，同理可求得次级方位
单脉冲雷达体制系统，主要用于高速目标的跟踪定位。如飞机、导弹、火箭、 人造卫星的跟踪。单脉冲雷达系统中的天线称为单脉冲天线。单脉冲雷达天线要 求产生一个主瓣的和波束，以及具有两个(或四个)主瓣的差波束，如下图 13-1 所示。差波束的两个峰值之间的最小值称为“零值”。和波束的作用是探测目标 的距离(r)并进行距离跟踪；差波束的作用是探测目标的方位角和俯仰角信息 (ϕ,θ )并进行角跟踪。一个目标的距离信息 r 和角信息ϕ,θ 已知，则目标的空间 位置就确定了。如果目标正好在和波束最大值方向，则差波束接收到的信号很弱 (为零值)；当目标移动时，则差波束接收到的信号由弱变强，则可利用差信号来 驱动伺服机构，使天线在俯仰或方位上转动，始终使差波束的零值方向对准目标， 从而实现跟踪。
射状态来分析。馈源口径上有三种初级场分布，这三种初级场分布产生的 三个初级波束照射反射面。在反射面口径上建立起相应的三种次极口径场
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分布，然后向空间发射三个次级波束。
• 主要电气指标
单脉冲天线的电气参量与普通天线一样。也要用到增益、半功率波瓣宽度、
副瓣电平等。但由于其工作体制的不同，还要用差波束的相对斜率、绝对斜率、
差方向图为
∫∫ FΔα (θ ,ϕ ) = fΔα ( x, y)e jk ( xsinθ cosϕ + y sinθ sinϕ )dxdy
S
次级俯仰差方向图为
∫∫ FΔβ (θ ,ϕ ) = fΔβ ( x, y)e jk( xsinθ cosϕ + y sinθ sinϕ )dxdy
S
由前面导出的和、差次级方向图公式进行了分析计算，得到了方向图。计算
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图 13-9 单脉冲天线的理想照射
图 13-10 理想馈源口径分布
2. 实现较佳性能的单脉冲馈源
能实现较佳性能的单脉冲馈源有多种： ■双喇叭双模馈源 ■双喇叭三模馈源 ■十二喇叭馈源 ■四喇叭三模馈源 ■八喇叭馈源 等。作为例子，下面就双喇叭双模馈源组成的反射面天线分析其辐射特性。
图中，1，2，3，4 表示四个喇叭组成的馈源。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ 表示四个波导魔 T，如图 13-4 所示，并以 E1 、 E2 、 E3 、 E4 分别表示 四个喇叭接收到的回波信号幅度。 E∑ 表示和信号， E+α 表示方位差信 号， E+β 表示俯仰差信号。
根据魔 T 的工作特性，有：
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归一化馈源和方向图
归一化次级场和方向图
归一化馈源方位差方向图
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归一化次级场方位差方向图
归一化馈源俯仰差方向图
归一化次级场俯仰差方向图
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3. 单脉冲天线特性参数
由馈源的口径和分布 h∑ (x, y) 、方位差分布 hΔα (x, y) 、俯仰差分布 hΔβ ( x, y) 以
1. 比幅单脉冲天线的和、差矛盾
单独一个和波束的口径场控制方法是设计馈源的波瓣图，以获得反射面天线 边缘所需的照射电平。对于同时存在和、差波束的单脉冲天线，其目的和方法也 是相同的，即同时要对和、差波束馈源喇叭照射的反射面的三个波束都要获得较 理想的反射面边缘照射电平(或理想的口径场分布)。这实际上存在一定难度，或 存在一定矛盾。以四喇叭单脉冲馈源为例，如果顾及了和波束，使其能达到最佳 边缘照射电平，而差波束不一定好，其边缘照射电平可能只有约 0dB，而使约一 半功率漏失掉，如图 13-8 所示。这就是所谓的“和、差矛盾”。所以，与设计单 独一个笔形波束的反射面天线不同，设计单脉冲馈源往往是和、差矛盾的折衷选 择。
式中，S 为主反射面圆口径面积。 ■方位、俯仰差波束方向图分析
波导为 TE10 模激励，馈源的口径场分布下图所示。其方位差口径分布为 hΔα ( x, y) = hΔαx ( x) ⋅ hΔα y ( y)
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⎧−1 hΔαx ( x) = ⎪⎨0
⎪⎩1
, − c − 2b < x < −c , − c < x < −c , c < x < c + 2b
(π 2
)2
−
(at2
)2
t1 = k sinθ ′cosϕ′ ， t2 = k sinθ ′sinϕ′
由上式可求出抛物面的口径场，并同时进行如下坐标变换，
t1 = k
x
f
2 e
+
R2
，
t2 = k
y fe2 + R2 ， cosθ ′ =
fe
, R=
f
2 e
+
R2
则次级口径的归一化场分布由下式决定
号接匹配负载吸收。
图 13-3 幅度比较单脉冲天线的馈源和比较器
图 13-4 魔 T 注：魔 T（双 T）的工作特性： ■结构如图 13-5 所示。 ■工作特性
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<<天线原理与设计>>讲稿
接收时：当同频信号 E1 、 E2 由 1 口和 2 口输入时，3 口输出为两信号的和值 E1 + E2 。所以 3 臂称为和臂；4 臂输出两信号的差值 E1 − E2 ，所以称为 差臂。
图 13-8 四喇叭单脉冲天线的照射
图 13-9 是一种可以避免使馈源和、差辐射能量从反射面边缘泄漏的理想照 射情况。这种方法只需将构成差波束的馈源喇叭尺寸比构成和波束的喇叭尺寸大 致增大一倍，此时和、差波束的照射均被限制在反射面内，因而使和、差波束均 实现最佳性能。图 13-10 是实现理想照射方法，但理想照射的馈源是无法实现的。 实际中，单脉冲馈源的尺寸和激励方式，对和、差波瓣来说是各不相同的。为了 使和、差波瓣都能达到最佳的特性，馈源应作专门设计。
图 13-2 幅度比较单脉冲 若探测到一个目标，来自 A 方向，这时两波束收到的回波信号相位相同， 但幅度不等。两信号相减形成的差信号是目标方向的函数。这个差信号的大小， 表示了目标偏离天线轴向角度的大小，差信号的正负，则表示目标偏向哪一边。 由差信号驱动电机使天线转动而对准目标，则差信号为 0。从而实现了跟踪。 为了进行原理分析，设比幅单脉冲天线的馈源是由四个喇叭和比较电路构 成的。假如上图为俯仰面的话，另两个喇叭就构成方位面。四喇叭馈源及比较器 电路如图 13-3 所示。
时取频率为 f = 36GHz 。选择双口双模馈源口径尺寸为 2a = 13mm ，2b = 3.2mm ，
2c = 1mm ； 选 取 主 反 射 面 为 椭 圆 反 射 面 ， 其 长 半 轴 A = 160mm ， 短 半 轴 为 B = 65mm ；等效焦距 fe = 80mm 。
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<<天线原理与设计>>讲稿
和信号：
E∑ = E1 + E2 + E3 + E4
(13.1)
方位差信号： E+α = ( E1 + E3 ) − ( E2 + E4 )
(13.2)
俯仰差信号： E+β = ( E1 + E2 ) − ( E3 + E4 )
(13.3)
还有一路差信号 ( E1 − E3 ) − ( E2 − E4 ) 为交差信号无用，该差支路信
分离角和零深及角灵敏度的指标。
图 13-6 馈源的口径场分布
• 单脉冲天线系统辐射原理
图 13-7 单脉冲天线方向图
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五、比幅单脉冲馈源
单脉冲天线的特点是同时有三个波束，一个是距离和波束和两个角度差(方 位差和俯仰差)波束。与设计笔形波束的抛物面天线一样，设计单脉冲喇叭馈源 的抛物面天线时，同样关心的是如何设计抛物面天线的口径场，它直接影响天线 性能，包括主瓣宽度和副瓣电平、天线效率等。
双喇叭双模馈源如下图 13-11 所示。
图 13-11 实际的双喇叭双模馈源
双喇叭双模馈源实现三种波束的口径场分布如下图 13-12 所示。
(a)和口径场分布 (b)方位差口径场分布 (c)俯仰差口径场分布 图 13-12 双喇叭双模馈源三个波束的口径场分布
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■和波束方向图分析 和状态下馈源的口径场为
• 次级波束加减法：是把馈源分离成几个单独的馈源，例如把四喇叭馈源看作
四个馈源，每个喇叭各自产生偏轴的次级波束，然后把比较器的作用归结 为对次级波束的直接相加和相减，从而得到单脉冲天线的和波束和两个差 波束。 此法的优点是直观，对天线的工作原理来说物理概念明确。
• 口径场法：是将馈源和比较器视为一个整体。把接收时产生的三个波束用发
fΣ
(
x,
y)
=
(1
+
cosθ
′)
cos(c
+
b)t1
sin bt1 bt1
⋅
cos(at2 )
(π 2
)2
−
(at2
)2
x2 + y2
a 坐标变换 b 计算次级和方向图的坐标 由初级口径场分布就可得到次级方向图为
∫∫ FΣ (θ ,ϕ ) = S fΣ ( x, y)e jk ( xsinθ cosϕ + y sinθ sinϕ )ds
图 13-1 单脉冲天线方向图
二、单脉冲天线组成
在雷达应用中，单脉冲天线可采用阵列天线，也可采用反射面和单脉冲馈源 组成。如果是后者，则馈源一般采用多个(4 个)叭或者单口多模喇叭。形成差波 束的关键是使用了比较器(和差器)。
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三、分类
根据比较回波信号的幅度和相位，单脉冲分为幅度单脉冲、相位单脉冲和幅 相单脉冲，它们的主要区别在于天线。无论是幅度还是相位单脉冲，为了确定目 标在某一平面的角度(方位、俯仰)，都要求同时产生两个形状相同的波束。这里 只讨论幅度单脉冲(比幅)。
发射时：信号由 3 臂输入 E3 ，则 1、2 两臂输出等幅同相信号 E1 = E2 = E3 2 。此 时 4 臂隔离，无输出。
即有“对臂隔离邻臂分”之特性。
图 13-5 魔 T 结构图 由于馈源的每个喇叭收到的信号大小与目标的距离和方向有关。因此，它 们形成的和信号称为和方向图，差信号称为差方向图。包括方位差和俯仰差方向 图。和差波束的作用前面都提到了。即： 差波束产生差信号，实现目标的跟踪； 和波束在发射时照射目标，接收时提供目标的距离信息。并给差信号提供 相位参考。 单脉冲天线的分析，主要有两种方法： 次级波束加减法 口径场法
hΔα y ( y)
=
cos( π 2a
y)
，
其俯仰差口径分布为
y ≤a
hΔβ ( x, y) = hΔβ x ( x) ⋅ hΔβ y ( y)
hΔβ
x
(
x)
=
⎧⎪1 ⎨ ⎪⎩0
, ,
c < x < c + 2b 其它点
hΔβ y (y)
= sin(π a
y),
y ≤a
方位差和俯仰差馈源(初级)方向图分别为
四、工作原理
为了说明问题，先考虑一个平面(俯仰面)内单脉冲技术的工作原理。 当一个横向偏焦的喇叭，置于抛物面焦点附近时天线将产生一个偏离天线轴 的波瓣，其波束偏移角θs 正比于偏焦距离 +x 。为了获得两个对称于天线轴，并 有相同偏移角θs 的波瓣，可用两个对称于天线轴的横向偏焦喇叭来完成，如图 13-2 所示。
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第十三章 单脉冲天线
一、引言
单脉冲又称同时多波束。单脉冲体制是在圆锥扫描和顺序波束转换体制基础 上发展起来的。因为波束圆锥扫描和波束转换技术对回波幅度起伏是很敏感的， 跟踪误差大。而单脉冲天线是在单个脉冲上同时提供对角误差敏感所需的波束， 同时比较各波束的输出，因此消除了回波幅度随时间变化的任何影响。这种技术 最初称为同时多波束，后来采用单脉冲这个术语。指的是在单独一个脉冲上得到 完整的角误差信号。“单脉冲天线”已成为这种跟踪天线的通用名词了。