经典雷达资料-第6章__反射面天线
第六章 面天线
s
S b a
z
1 1 kb sin 2 1 2 ka sin 2
(1 cos ) sin 1 FE 2 1 (1 cos ) sin 2 FH 2 2
y ds(xs , ys ) x R r y M(r , , ) x
s
S b a
dEH j
z
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
Im I O
4、惠更斯源辐射场
dEE j dEH j
1 2 r 1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse (1 cos ) E y e jkr dse
1 FE ( ) FH ( ) (1 cos ) 2
dse
dEH j
1 2 r
(1 cos ) E y e jkr dse
y ds(xs , ys ) x R r
y
M(r , , ) x
s
S O
z
二、平面口径辐射
当观察点很远时，可认为R与r近似平行，R可表示为
R r s er r xs sin cos ys sin sin
( E y dy )dx 2 r
e jkr ea
4、惠更斯源辐射场
在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面的情况， 所以只讨论面元在两个主平面的辐射。H平面（xOz平面） Il jkr
面内，电基本振子产生的辐射场为 2 r
H j
sin e
I l 1 jkr 60 Il jkr m jkr dse E j dEH j e (1 E E y e sin e sin cos ) j 2 r 2 r r y x H E E 0 Hr I ml1 x 0 jkr jkr r H j j dEe dx E y esin e r dse 2H r 0 J r dE E 2
第6讲 雷达天线、雷达显示器
2.4 雷达显示器
雷达终端显示器主要包括：
距离显示器 B型显示器（平面显示器） E型显示器（高度显示器） 平面位置显示器 情况显示器和综合显示器
2.4.1 距离显示器
距离显示器主要显示目标距离，它可以绘出接收机输
出幅度和距离的曲线关系。
Ae a A
显然，波长一定时，天线增益与Ae和A都成正比。天线有效孔径体现为面积 的量纲，它与入射电磁波功率密度Pi相乘后即可得到天线的接收功率Pr， 即 Pr= Pi·Ae
2.3.1 天线的方向性和增益 3.天线辐射方向图 天线辐射的电磁能量在三维空间中的分布变时成相对（归一化）基础上 的曲线（曲面）时，称为天线辐射方向图，通常称为天线方向图。 天线方向图通常用 F ， 表示，θ和φ表示方位角和俯仰角，电场强 度记为E（ θ ， φ ），Emax为最大辐射方向上的电场强度，则有
E ex Ex ey E y
其中 Ex Exm cos t kz x
E y E ym cos t kz y
极化是指电场强度E的矢量端在空间固定点上随时间的变化所描绘的轨迹。 1.若矢量端轨迹是一条直线，称该波为线极化波。 2.若矢量端轨迹是圆，称该波为圆极化波。 3. 若矢量端轨迹为椭圆，称该波为椭圆极化波。
2.3 雷达天线 雷达天线的参数：
（1）增益：天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力。增益与天线的孔
径面积成正比，与工作波长的平方成正比。 （2）天线的有效孔径面积：雷达天线接收时，其收集目标回波的能力用天 线的有效孔径面积表示。大的有效孔径面积等效于高的天线增益。 （3）方向性：天线都具有方向性，即天线向不同方向辐射的功率密度不同，
(整理)经典雷达资料-第6章__反射面天线 (2)
第6章反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。
发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。
接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。
因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用。
在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角。
为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。
雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径。
后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系。
许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度。
以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收。
虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线。
在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。
相控阵天线的内容参见第7章。
波束扫描与目标跟踪由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到。
这就是警戒雷达或搜索雷达的功能。
有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线。
在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能。
测高大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标。
在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度。
现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束。
面天线的理论介绍
特定方向辐射功率每单位立体角为
P 0 (,)0E P (,)2 r 20E M 2F 2 (,)r 2
0
0
同相口径场的辐射场通常是在口径的法线方向取得最大值
E ME P( 0)je rjkrSE S(x,y)dxdy
总辐射场功率即通过天线口径的全部实功率
P
0 0
S
2
ES(x,y) dxdy
如何研究和分析面天线？
面天线的分析方法
用严格的方法求解面天线的辐射场，需要根据天线的边界条 件求解电磁场方程。由于数学计算非常复杂，通常采用近似方法 进行分析。
波动光学法是分析面天线常用的方法。它把对场的求解分为 两个独立问题：一是求解包围天线的某一封闭空间V内的场，即 求解内部场。根据求得的解确定包围该天线封闭面上的场。二是 根据惠更斯原理，由封闭面上的场分布求解V以外的其他空间内 的场，即求解外部场（辐射场）。
可得积分结果
EE EH
AS 1 cos
2
AS 1 cos
2
sin2 2 sin1 1
（1）方向系数
2
D 4 2 SE E S S((x x,,y y))d 2x dd xy dy4 2E E 202 (0Sd d x xd d y y)24 2A4 2D 1D 2
S
S
2
ES (x, y)dxdy
域内产生相同电磁场的等效场源代替，这就是等效原理。等效原理
的根据是电磁场唯一性定理。
满足Maxwell方程和边界条件的解是唯一的。
E1 H1
E1 H1 J1 Jm1
V2 V1
S
E1 H1 Js n V2
Jms
EH
V1 S
E1 H1 Js n V2
第6讲雷达天线、雷达显示器
2 目标回波
目标回波2。 通常在R扫掠线上所显示的
移动距标
那一段距离在A扫掠线上以缺口方式、加
亮显示方式或其它方式显示出来, 以便使
用人员观测。
2.4.2 B型显示器
距离
平面显示器既可以用极坐标显示距离和方
位, 也可以用直角坐标来显示距离和方位, 若
为后者，则其画面如图4.4所示, 称为B式显示
器, 它以横坐标表示方位, 纵坐标表示距离。
2.4 雷达显示器
雷达终端显示器主要包括： ➢ 距离显示器 ➢ B型显示器（平面显示器） ➢ E型显示器（高度显示器） ➢ 平面位置显示器 ➢ 情况显示器和综合显示器
2.4.1 距离显示器
距离显示器主要显示目标距离，它可以绘出接收机输 出幅度和距离的曲线关系。
常用的距离显示器有A型显示器、A/R型显示器。 距离显示器显示目标的斜距坐标, 它是一度空间显示 器, 用光点在荧光屏上偏转的振幅来表示目标回波的大小, 所以又称为偏转调制显示器。
2.4.1 距离显示器
在A型显示器上, 我们可以控制移动距标去对准目标回波, 然后根据控制 元件的参量(电压或轴角)而算得目标的距离数据。 由于人的固有惯性, 在测量中不可能做到使移动距标完全和目标重合, 它们之间总会有一定 的误差Δl, 这个误差我们称为重合误差。
对于不同的量程, 重合误差Δl对应的距离误差ΔR将不同。例如, A型 显示器扫描线长度为100mm, 重合误差Δl=1 mm, 当其量程Rm为100km 时, Δl引起的误差为1km, 如果量程为1 km, 则Δl引起的距离误差只有10 m。但减小量程后,不能达到有效地监视雷达全程的目的。
通常方位角不是取整个360°, 而是取其中的
某一段, 即雷达所监视的一个较小的范围。如
卡塞格伦反射面天线
2
主要内容及要求： 一、卡塞格伦天线的工作原理和几何结构 二、卡塞格伦天线的分析方法 三、卡塞格伦天线的增益 四、影响反射面天线方向性的因素 五、赋形波束反射面天线 六、其它型式的双反射面天线
3
远望六号测量船
4
一、卡塞格伦天线的工作原理和几何结构特性
1、天线（抛物面天线——双反射面）
卡塞格伦天线
2 Mf 1 cosq
fe Mf
18
二、卡塞格伦天线的分析方法
偏心率e愈小，M愈大。通常 M 3 所以等效抛物面是一个长焦距 抛物面。
f e Mf
e 1 f e 1
19
二、卡塞格伦天线的分析方法
用射线管的概念说明它们的口径场分布是相同的。
Q2 Q1 Q’2 Q’1 等 dΨ F’ dθ
F
rபைடு நூலகம் F P
r FP
ρ =FQ
虚馈源法
Ei rq sin q 1 Er r sin
60 Pr Gr
rq
Fr (q )
60 Pr Gv
r
Fv ( )
Fr (q ), Fv ( ) 分别是实、虚馈源的归一化方向图函数
23
Gr , Gv 分别是实、虚馈源的增益
二、卡塞格伦天线的分析方法
5
两类常见的反射面天线
主抛 反物 射锥 面面 主抛 反物 射锥 面面
馈源
馈源
副双 反曲 射面 面
抛物面天线
卡塞格伦天线
6
与抛物面天线相比，卡塞格伦天线具有以下的优点： （1）以较短的纵向尺寸实现了长焦距抛物面天线的 口径场分布，因而具有高增益，锐波束； （2）由于馈源后馈，缩短了馈线长度，减少了由传 输线带来的噪声； （3）设计时自由度多，可以灵活地选取主反射面、 反射面形状，对波束赋形。 卡塞格伦天线存在着如下缺点：卡塞格伦天线的 副反射面的边缘绕射效应较大，容易引起主面口径 场分布的畸变，副面的遮挡也会使方向图变形。
第6章面状天线
6.4.2 矩形喇叭天线口面场分布规律
1、矩形喇叭天线的口面 场结构 为了说明喇叭天线的 口面场结构，可用一个 矩形喇叭来说明。右图 画出了一个矩形扇形喇 叭天线的场分布图。
（1）当矩形波导前端面开口时，也同样能产生电磁辐射，只是因 为口面直径太小，按面天线理论，口面积越大，辐射场越强，方 向性越好。这样由矩形波导前端面产生的辐射场强将较弱，方向 性也相对较差。如果采用开口形状喇叭，口面积相对增大，辐射 场也将增强；
卡塞格伦天线的工作原理是， 根据双曲面的性质，由F2发出 的电磁波被副面反射，其反射 的电磁波方向可以看成是共轭 焦点F1发出的射线方向。又因 为F1是抛 物面的焦点，所以， 由F2发出的电磁波经副反射面 和主反射面反射后，在口径面 形成同相场，从而得到平行于 轴向的电磁辐射波。
其他类型的天线
微带天线
因此球解空间某一点场强时，不一定从激励源 出发求解，可以把实际场源产生的波的某一波 前面上场强分布作为次级波源来求解。
S1
S2
S2 S1
6.1.2 等效原理
V0
V0
S2
V1
E1
H1
E1
H1
n
S2
S1
V1
n E2
H2
E1
H1
J
J
m
s
S1
雷达原理-第6章目标距离的测量
④
u
u
t
c
t
⑤
⑧
u
后波门 ⑤
后选通 ⑦
积分 电路
⑥
t′
c
t
t
形成 电路
放大 器
Ⅱ
u
⑦ u
t
⑧
注意：比较电路是否一直 u
t
有输出？
⑨ u
t
⑩
t
(a )
(b )
2020/5/7
(a) 组成方框图; (b) 各点波形
2. 控制器
控制器的作用是把误差信号uε进行加工变换后, 将其输出去控制跟踪波门移动, 即改变时延t′, 使其 朝减小uε的方向运动。设控制器的输出是电压信 号E, 则其输入和输出之间可用下述通常函数关系 表示:
脉冲调频测距原理 (a) 原理性方框图组成;
f
FA F
F T
td T A
o
2020/5/7
FA
fd
td
2vr
2 R0 c
FB
fd
td
2vr
2 R0 c
fd
FC
fd
2vr
FB
FC
T
T
B
C
t
(b)
脉冲调频测距原理 (b) 信号频率调制规律;
6.3 距离跟踪原理
6.3.1 人工距离跟踪 操作员按照显示器上的画面，将电刻
fb
ft
fr
8f Tm c
R0
fd
fb
fr
ft
8f Tm c
R0
fd
(前半周正向调频范围) (后半周负向调频范围)
R0
c 8f
fb fb 2fm
相控阵天线和反射面天线主要技术指标
相控阵天线和反射面天线主要技术指标下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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雷达天线
有效面积表示雷达天线接收空中信号功率的能力，即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。一般雷达天线的有效面积为天线实际几何面积的50%～90%。
增益表示
增益表示雷达天线聚集波束的能力，其大小为雷达天线在最大辐射方向所辐射的功率与一各个方向都均匀辐 射的天线在同一方向上辐射的功率之比(在两天线输入功率相同的条件下)。在雷达工作波长固定时，天线口径面 积越大，天线增益越高；如果天线口径面积固定，则工作波长越短，增益越高。
相关技术
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。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。
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。
谢谢观看
种类
雷达天线类型很多，按其结构形式，主要有反射面天线和阵列天线两大类。按天线波束的扫描方式，雷达天 线可分为机械扫描天线、电扫描天线和机电扫描结合的天线。
反射面天线由反射面和辐射器组成。辐射器又称馈源、辐射元、照射器，它向反射面辐射电磁波，经反射形 成波束。典型的反射面天线是旋转抛物面天线，切割抛物面天线、抛物柱面天线、卡塞格伦天线、单脉冲天线、 叠层波束天线、赋形波束天线和偏馈天线等多种形式。机械扫描天线通过机械的方法驱动天线转动，实现天线波 束在方位和仰角二维的扫描，扫描的速度较慢。电扫描天线，天线固定不动，波束在方位和仰角二维的扫描，都 是用电子技术控制阵列天线上各辐射单元的馈电相位或工作频率来实现，波束扫描的速度很快。机电扫描结合的 天线一般是方位扫描由机械驱动天线旋转进行，仰角扫描由电子技术控制各辐射单元的馈电相位或工作频率来实 现，因此其方位扫描较慢，仰角扫描很快。有时也把机电扫描结合的天线叫一维电扫描天线。
雷达天线
雷达天线（一）天线的功能、原理和参数1. 天线的功能●将发射机的输出集中在一个窄波束内，因此增加了波束内的功率密度。
用增益表示●匹配雷达传输线和传输媒介的阻抗●截获目标的回波能量。
用有效孔径衡量，与增益相关●使发射和接收波束转到指定的方向2、辐射能量在角度上的分布为了确定阵列辐射能量的分布，人们沿着一条圆弧移动场强计。
阵列由一行间隔很近的垂直辐射单元组成任意一点的场强取决于接收波的相对相位相对相位又取决于到各辐射单元的路程差零点的产生当场强计至7号辐射单元的距离比至1号辐射单元的距离大半个波长时，从它们接收的信号相互抵消。
该方向上场强为零旁瓣的产生当场强计到阵列两端的距离差接近1.5个波长时，只有3到10号辐射单元的信号相互抵消。
达到另一个峰值3. 天线参数•波束方向图：天线的发射和接收响应，它是偏离轴线的俯仰角和方位角的函数由天线的尺寸形状照射和频率决定• 波束宽度：主天线响应（主瓣）的角宽度，是长度、频率和照射的函数对电器特性的大天线，波束宽度与天线长度和波长有关为了抑制旁瓣，大的天线表面并不是均匀利用而是渐进照射，使得周边区域比中心使用效率低，因此有效尺寸比实际尺寸小• 有效口径：有效捕获电磁波的投影面积。
天线作为接收设备截获信号的面积。
随偏离天线轴线的方向变化。
一个有效的孔径指标通常是指在天线最大响应的方向。
由天线的投影面积和照射函数决定•增益：天线所指方向上能量集中程度的度量。
天线增益等于在某一特定方向上单位立体角内所辐射的功率与同样总功率在所有方向上即等方向均匀辐射时单位立体角内所辐射的功率之比• 辐射效率：天线总的接收功率中被辐射的（发射）或是转换到天线终端（接收）的部分• 旁瓣：主瓣以外其它方向的响应✓除了主瓣方向以外其它方向产生的响应✓以旁瓣的增益低于主瓣峰值增益的量（分贝表示）作为指标✓是EMI、ECM和杂波的主要进入通道天线的副瓣出现在所有方向上，甚至出现在后部，增加了雷达被敌方发现的敏感性和易受到干扰的脆弱性旁瓣缩减，旁瓣是由靠近孔径边缘部分的辐射产生的，因此可以利用照锥化低副瓣 aperture孔径• 场区：当离天线远处或近处观测时，描述天线的不同响应。
(整理)经典雷达资料-第1章 雷 达 概 论
第1章雷达概论Merrill I. Skolnik1.1 雷达描述雷达的基本概念相对简单，但在许多场合下它的实现并不容易。
它以辐射电磁能量并检测反射体（目标）反射的回波的方式工作。
回波信号的特性提供有关目标的信息。
通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距离。
目标的方位通过方向性天线（具有窄波束的天线）测量回波信号的到达角来确定。
如果是动目标，雷达能推导出目标的轨迹或航迹,并能预测它未来的位置。
动目标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移，因而即使固定回波信号幅度比动目标回波信号幅度大多个数量级时，雷达也可根据频移将希望检测的动目标（如飞机）和不希望的固定目标（如地杂波和海杂波）区分开。
当雷达具有足够高的分辨力时，它能识别目标尺寸和形状的某些特性。
雷达可在距离上、角度上或这两方面都获得分辨力。
距离分辨力要求雷达具有大的带宽，角度分辨力要求大的电尺寸雷达天线。
在横向尺度上，雷达获得的分辨力通常不如其在距离上获得的分辨力高。
但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时，可运用多普勒频率固有的分辨力来分辨目标的横向尺寸。
虽然人们通常认为SAR是通过在存储器中存储接收到的信号，从而产生大的“合成”天线，但是用于成像（如地形成像）的合成孔径雷达在横向尺度上获得的分辨力仍可解释为，是由于利用了多普勒频率分辨力的结果。
这两种观点（多普勒分辨力和合成天线）是等效的。
展望用于目标成像的ISAR所能得到的横向分辨力的途径，理所当然应该是多普勒频率分辨力。
雷达是一种有源装置，它有自己的发射机而不像大多数光学和红外传感器那样依赖于外界的辐射。
在任何气象条件下，雷达都能探测或远或近的小目标，并精确测量它们的距离，这是雷达和其他传感器相比具有的主要优势。
雷达原理已在几兆赫兹（高频或电磁频谱的高频端）到远在光谱区外（激光雷达）的频率范围内得到应用。
这范围内的频率比高达109:1。
在如此宽的频率范围内，为实现雷达功能而应用的具体技术差别巨大，但是基本原理是相同的。
第6章 面天线
（6―2―16）
第6章 面天线
则两主平面的方向函数为
F (1c2os)si 1n1 （6―2―17）
FH()(1c2os)1c(o2s22) （6―2―18）
第6章 面天线
图6―2―3绘出了a=2λ,b=3λ的矩形口径的主平面方 向图，由于口径在E平面的尺寸较大，因此E面方向图 比H面方向图主瓣窄，并且E面波瓣个数多于H面波瓣 个数。又因为余弦分布只体现在x坐标上，所以对应的 方向图只在H面上主瓣变宽，而E面方向图维持不变。
相应的等效磁基本振子磁流的方向沿x轴方向，其长 度为dx，数值为
ImJx m dyEydy
（6―1―4）
于是，惠更斯元的辐射即为此相互正交放置的等效电 基本振子和等效磁基本振子的辐射场之和。
第6章 面天线
在研究天线的方向性时，通常更关注两个主平面 的情况，所以下面也只讨论面元在两个主平面的辐射。
E平面（yOz平面）如图6―1―3所示，在此平面 内，根据式（1―1―4），电基本振子产生的辐射场为
第6章 面天线
6.2.3 同相平面口径方向图参数
如果统一引入
A
j e jkr
r
E0
则平面口径的主平面辐射场可统一表示为
E ( ) A SF ( )
（6―2―28） （6―2―29）
第6章 面天线
第6章 面天线
E M j2 1 r ( 1 c o s)sE y ( x s ,y s ) e j k R d x （s d 6y ―s 2―1）
y ds(xs , ys)
x R
y
M(r, , )
s
S O
r
x
z
图6―2―1 平面口径坐标系
第6章 面天线
雷达天线学习资料——精
雷达天线 1 雷达天线的简介雷达中用以辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。
雷达天线具有将电磁波聚成波束的功能，定向地发射和接收电磁波。
雷达的重要战术性能，如探测距离、探测范围、测角(方位、仰角)精度、角度分辨力和反干扰能力均与天线性能有关。
雷达天线在空间聚成的立体电磁波束，通常用波束的水平截面图(即水平方向图)和垂直截面图(即垂直方向图)来描述。
方向图呈花瓣状，又称为波瓣图。
常规的天线方向图有一个主瓣和多个副瓣。
主瓣用于探测目标。
副瓣又称旁瓣，是无用的，愈小愈好。
雷达的战术用途不同，所要求的天线波束形状也不相同。
常规雷达的发射波束和接收波束是相同的，一些特殊体制的雷达，发射波束和接收波束不同。
脉冲雷达多数是发射和接收共用一个天线，靠天线收发开关进行发射和接收工作状态的转换。
有些雷达(如多基地雷达和连续波雷达)，其发射天线和接收天线是分开的。
2 雷达天线的种类雷达天线类型很多，按其结构形式，主要有反射面天线和阵列天线两大类。
按天线波束的扫描方式，雷达天线可分为机械扫描天线、电扫描天线和机电扫描结合的天线反射面天线由反射面和辐射器组成。
辐射器又称馈源、辐射元、照射器，它向反射面辐射电磁波，经反射形成波束。
典型的反射面天线是旋转抛物面天线，切割抛物面天线、抛物柱面天线、卡塞格伦天线、单脉冲天线、叠层波束天线、赋形波束天线和偏馈天线等多种形式。
机械扫描天线通过机械的方法驱动天线转动，实现天线波束在方位和仰角二维的扫描，扫描的速度较慢。
电扫描天线，天线固定不动，波束在方位和仰角二维的扫描，都是用电子技术控制阵列天线上各辐射单元的馈电相位或工作频率来实现，波束扫描的速度很快。
机电扫描结合的天线一般是方位扫描由机械驱动天线旋转进行，仰角扫描由电子技术控制各辐射单元的馈电相位或工作频率来实现，因此其方位扫描较慢，仰角扫描很快。
有时也把机电扫描结合的天线叫一维电扫描天线。
雷达天线的主要性能指标雷达天线主要目的是更好地接受和发送数据，采用不同种类的天线拥有不同的指标，但雷达天线主要的性能指标有波瓣宽度、有效面积、增益、副瓣电平、极化方式、频带宽度、天线转速和抗风力等。
反射面抛物面卡塞格伦天线
反射面抛物面卡塞格伦天线由金属反射面和馈源组成的天线，主要包括单反射面天线(图1)和双反射面天线(图3)两大类。
这是基于光学原理导出的天线形式，广泛用于微波和波长更短的波段。
第二次世界大战前后多种单反射面天线开始大量使用，到60年代出现了以卡塞格伦天线为代表的双反射面天线。
它们已成为最常用的一类微波和毫米波高增益天线，广泛应用于通信、雷达、无线电导航、电子对抗、遥测、射电天文和气象等技术领域。
以卫星通信为例，由于增益高和结构简单，反射面天线是通信卫星地球站的主要天线形式；由于能制成可展开的折伞形结构，它又是宇宙飞船和卫星天线的基本形式。
至今不但已产生了多种多样的反射面形式来满足不同的需要，同时也出现了性能优良的多种馈源结构(见天线馈源)。
有些还采用组合馈源来形成"和差"波束或多波束(见单脉冲天线和多波束天线)。
单反射面天线典型形式是旋转抛物面天线(图1a)。
它的工作原理与光学反射镜相似，是利用抛物反射面的聚焦特性。
抛物面上点P的以O为原点的柱坐标方程为ρ2=4fz；以焦点F为原点的球坐标方程为r=2f/(1+cosθ)，f为抛物面的焦距。
因此，由焦点F发出的射线经抛物面反射后，到达焦点所在平面的波程为一常数，即。
这说明各反射线到达该平面时具有相同相位，因而由馈源发出的球面波经抛物面反射后就变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束。
抛物面直径D和工作波长λ之比越大，则波束越窄，其半功率点宽度为：2θ0.5=(58°~80°)λ/D天线增益G与天线开口面(口径)几何面积A成正比，而与波长平方λ2成反比，即：G=4πAη/λ2=(πD/λ)2η式中η称为天线效率或口径效率，主要由口径利用系数与截获系数的乘积决定。
口径利用系数取决于口径上场分布的均匀程度。
当均匀分布(口径上各点场的相位相同且振幅相等)时，口径利用系数最大，其值为1。
截获系数是馈源投射到反射面上的功率与馈源总辐射功率之比，理论上最大值也是1。
第6章面天线
2
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第6章 面天线
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方向性函数由两部分组成：
(1 cos ) 是惠更斯源的自因子（ 元因子）
2
sin1 或 sin 2 是矩形口面上连续分布 同相等幅场的阵因子
1
2
若a,b>>λ,则口面辐射集中在θ较小的范围内，（1+cosθ）/2 ≈1,自因子随θ变化很小，故E/H面的方向函数主要由阵因子决定。 于是矩形等幅同相口面的E/H方向性函数统一可以写成：
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2
第6章 面天线
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6.1 等效原理与惠更斯元的辐射
惠更斯原理具体表述？
空间任一点的场是包围 天线封闭面上各点的电 磁扰动产生的次级辐射
在该点叠加的结果
3
第6章 面天线
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6.1 等效原理与惠更斯元的辐射
面 天
金属面S1
线 的
初级辐射源
结 构
金属面的口径面S2 S1
FH
( )
cos 2
1
(
2
2
)
2
令FH ( ) 0.707，可求出半功率角宽度：
＝
0.5,H
1 2
kasin 0.5,H
1.86;
2 0.5,H
1.18
a
(弧度)
68 （度）；(H面展宽)
a
可以求出H面第一旁瓣最大值为0.071，其副瓣电平为：
SLL＝20log 0.071 23dB 1
a/2 a / 2
dxs
b/2 b / 2
Ey
(
反射面天线 工作原理
反射面天线工作原理反射面天线是一种基于折射、反射原理而工作的大型天线，它主要由一个反射器和一个放置于焦点处的馈源（通常为光源或天线）构成。
反射面天线的基本工作原理是将馈源的电磁波通过反射器进行聚焦，然后再由反射面向所需的方向发射。
反射器通常采用抛物面、椭圆面或双曲面等形状，以便将馈源的电磁波以最高效的方式聚焦。
反射面天线的工作过程中，馈源会先发射出一束电磁波，在经过反射器的反射和聚集之后，再由反射面向外辐射。
反射面天线的反射器设计必须考虑到高度优化，以使得反射器能够聚集尽可能多的电磁波，并通过反射面进行向外发射。
在反射面天线的工作过程中，反射器的形状决定了在馈源朝向何方情况下能够获得最佳效果，同时也决定了天线的设计参数，如馈源大小、形状和天线的身材等。
1. 把馈源所发出的电磁波反射和聚集到一个点上：反射面天线的反射器构造是基于几何学的反射原理，所以能够将馈源所发出的电磁波聚集到一个点上。
聚焦点可以是一个物镜，也可以是天线的馈源。
馈源通常位于反射器的焦点处，以便把电磁波聚集到一个点上。
2. 通过反射面进行向外辐射：反射面天线的反射器是把电磁波聚集到一个点上，并使得从这个点开始向外发射的聚焦电磁波尽可能更强。
在馈源朝向不同的情况下，反射器会聚集不同的电磁波，因此反射面天线能够向不同的方向进行辐射。
3. 优化反射面的设计以提高效率：反射面天线的工作效率受反射器设计的影响较大，因此反射器的形状、尺寸、斜率以及其它的特征都必须经过仔细的计算和分析。
设计一种高效的反射面天线需要考虑许多因素，如天线的使用频率、应用场合、尺寸限制等，同时还需要考虑反射面的制造工艺。
反射面天线的优点在于其能够获得高增益、宽频带、可扫描性和抗干扰等特点，适用于卫星通信、雷达系统、天文学、电波望远镜以及无线电传输等领域。
但它也存在一些不足之处，如构造复杂、尺寸大、成本高、不适合用于移动设备等缺点。
针对反射面天线的不足，现已开发出一些新型的反射面天线，如可卷曲反射面天线、平面反射面天线和介电体反射面天线等。
反射面天线
当Ds/Dm0.2时，一般按照式(2-5)选取D s ；
若Ds/Dm0.1，可取 Ds 0.1Dm，以使馈源
副面最小遮挡口径
小些。只要 Dm/Ds 0.1，副面遮挡损失将小于0.1dB，但它随 D s 的增大迅速增大。
当D m，Fm / Ds以及D s 选定后，需要选择Fm以确定馈源位置和大小。这需要作两方面权衡：
又有2a等于边缘点H到两焦点距离之差，即
2 a O 2 H H 1 s D O s/ i 2 2 m n s D s/ i 1 2 m n D 2 ss si 1 m i 2 m n s n si 1 i m 2 m n n
将上面两式相除，得
e2 2a cssiin1 n m 1m ( si2n m2)m 即
根据抛物线的上述性质可得抛物面的下述两个重要性质： （1）从焦点出发的任一根射线经过抛物面反射，得到的反射线 都与抛物面的轴线平行，反之亦然。 （2）从焦点发出的射线经过抛物面任一点反射后到达的口径面 的距离相等，即口径面为一等相面。因此置于焦点的馈源所辐 射的球面波经过抛物面反射后变成沿抛物面轴线+z方向传播的 平面波。 这两条重要性质可以用来形成具有尖锐波瓣的天线即抛物面天 线。如果在焦点F放置一个波瓣较宽的馈源，并且焦点与抛物面 的距离远大于波长，则照射在抛物面上的是馈源的远区场，其 波阵面近似为球面，如果抛物面半径也远大于波长，则在局部 区域内此球面波可看成是局部平面波，从而可根据均匀平面波 在无穷大导电平面上的反射特性决定抛物面上的电流及反射波。 根据抛物面的性质可知，反射波的传播方向是+z方向，并在抛 物面口径上形成等相场分布。把口径上的场分布看成是等效场 源，如果口径半径远大于波长，则可得到主瓣最强方向在+z方 向的尖锐波瓣，如果几何光学是一个严格解，则辐射波束的宽 度为零。
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第6章反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。
发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。
接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。
因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用。
在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角。
为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。
雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径。
后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系。
许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度。
以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收。
虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线。
在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。
相控阵天线的内容参见第7章。
波束扫描与目标跟踪由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到。
这就是警戒雷达或搜索雷达的功能。
有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线。
在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能。
测高大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标。
在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度。
现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束。
这些波束在水平方向同样窄，但垂直堆积接收波束可以用两个相邻的交叠波束测量回波振幅来确定目标的仰角。
天线的分类雷达天线可以分为两大类，光学天线和阵列天线。
顾名思义，光学天线是基于光学原理的，它包含两个子类，即反射面天线和透镜天线。
反射面天线仍然广泛应用于雷达中，而透镜天线虽然仍用于一些通信和电子战（EW）场合，但已经不再用于现代雷达系统中。
为了减少篇幅，透镜天线将不在本书中详细讨论。
但第一版中关于透镜天线的参考资料仍保留在本章末的参考资料中。
6.2 基本原理和参量本节简述天线的基本原理，着重介绍对雷达系统设计师有用的术语的定义。
为了给雷达系统选择最佳类型的天线，系统设计师应该对将要选择的各种类型天线的基本性能特征有清楚的认识[1]，包括反射面天线（在本章讨论）和相控阵天线（在第7章讨论）之间的选择，还有用相控阵列馈电的反射面天线。
虽然本章着重讨论反射面天线，但是本节讨论的许多基本原理适用于所有的天线。
对任何天线，必须考虑的三个基本参量包括：增益（和有效孔径）辐射方向图（包括波束宽度、副瓣）阻抗（电压驻波比或VSWR）其他的基本考虑还有互易性和极化，它们将在本节做简要介绍。
互易性大多数雷达系统都采用一副天线，既用于发射，又用于接收，而且大部分这样的天线都是互易性设备，其含义是它们的性能参量（增益、方向图、阻抗）在两种工作方式下是一样的。
这一互易性原理[2]允许天线既可以看成是发射设备，又可看成是接收设备，由具体讨论时哪个更方便而定。
这也允许在任何一种工作方式下测试天线（参见6.10节）。
非互易雷达天线的例子是使用了非互易的铁氧体元件的相控阵天线，收发模块中含放大器的有源阵列天线和3D（距离、方位和仰角）雷达的测高天线。
后者的代表是AN/TPS—43雷达[3]，它在接收时采用在仰角上堆积的几个交叠波束，在发射时采用一个宽仰角波束。
在水平方向上波束都一样窄。
必须分别测试这些非互易天线的发射特性和接收特性。
增益、方向性系数和有效孔径术语天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。
天线增益的两个不同却相关的定义是，方向增益和功率增益。
前者通常称做方向性系数，后者常称为增益。
清楚地理解两者之间的区别是非常重要的。
方向性系数（方向性增益）定义为最大辐射强度（每立体弧度内的瓦数）与平均辐射强度之比，即π==4/辐射的总功率率每立体弧度内的最大功平均辐射强度最大辐射强度D G （6.1） 也可以用远场距离R 处的最大辐射功率密度（每平方米的瓦数）与同一距离上的平均密度之比表示，即 2max 24/4/RP P R G t D π=π=辐射的总功率最大辐射功率密度 （6.2） 因此，方向性系数定义就是指，实际的最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的功率密度强多少倍。
注意，这个定义不包含天线中的耗散损耗，只与辐射功率的集中有关。
增益（功率增益）包含天线的损耗，并且用天线输入端收到的功率P 0来定义，而不用辐射功率P t ，即 20max 24/4/RP P R G π=π=收到的总功率最大辐射功率密度 （6.3） 对于实际的（非理想的）天线，辐射功率P t 等于收到功率P 0乘以天线辐射效率因子，0P P t η= （6.4）例如，若一个典型天线的耗散损耗为1.0 dB ，则79.0=η，即输入功率的79%被辐射。
其余部分)1(η-或21%，被转化为热能。
对反射面天线，大部分的损耗都发生在连接到馈源的传输线上，并能够做到小于1 dB 。
比较式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系数之间有如下的简单关系：D G G η= （6.5）因此，除理想无耗天线（=1.0, G =G D ）外，天线增益总是小于方向性系数。
方向性系数-波束宽度间的近似关系天线方向性系数与波束宽度间有如下近似的且非常有用的关系（参见2.3节）：elaz 40000B B G D ≈ （6.6） 式中，B az 和B el 分别为主平面内的方位和俯仰半功率波束宽度（单位为）。
这一关系与方向性系数为46 dB 的1×1笔形波束等价。
由这一基本组合，其他天线的近似方向性系数可以很快求出，例如，与1×2波束对应的方向性系数是43 dB ，因为波束宽度加倍对应的方向性系数下降3 dB 。
类似地，2×2波束对应40 dB ，1×10°波束对应36 dB 的方向性系数，依次类推。
将每次波束宽度的变化都转换成分贝，方向性系数也做相应的调整。
但这一关系不适用于赋形（如余割平方）波束。
有效孔径天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。
有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的。
对面积为A ，工作波长为的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为2/4λA G D π= （6.7）上式表示孔径A 可提供的最大增益，并意味着天线有理想的同相位、等振幅的分布。
为了减小方向图的副瓣，天线通常并不是均匀照射，而是渐变照射（孔径中心最大，边缘较小）的。
这时，天线的方向性增益比式（6.7）给出的要小，即2/4λe D A G π= （6.8）式中，A e 是天线的有效孔径或捕获面积，等于几何孔径与一个小于1的因子a （称为孔径效率）的乘积：A A a e ρ= （6.9）最好将孔径效率称为孔径效能，因为它不包括转化为热能的RF 功率，也就是说，它不含耗散效应，而只是给定孔径被利用的有效程度的量度。
比如说，孔径效率为50%（a =0.5）的天线比均匀照射孔径的增益低3 dB ，但并不是耗散了一半的功率。
有效孔径表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益。
有效孔径是一个面积，与入射功率密度相乘后可给出天线的接收功率：e i r A P P = （6.10）辐射方向图电磁能在三维角空间中的分布表示成相对（归一化）基础上的曲线时，称为天线辐射方向图。
这种分布可用各种方式绘制成曲线，如极坐标或直角坐标、电压强度或功率密度、单位立体角内功率（辐射强度）等。
图6.1所示为典型的圆孔径天线的方向图，该图将等距离上的对数功率密度（垂直坐标用分贝计）与方位角和俯仰角的关系绘制在直角坐标系中。
方向图的主瓣（或主波束）是笔形波束（圆截面），四周是较小的瓣，通常称为副瓣。
角坐标的原点取在主瓣峰值方向，通常称为天线的电基准轴。
电基准轴可与天线的机械轴（即对称轴，有时称为视轴）重合，也可以不重合。
若两者不重合（常常是无意的），其角度差称为视轴误差，在测量目标方向时必须考虑这种误差。
图6.1（a ）所示为天线方向图的三维特性，以这种形式绘制方向图需要大量的数据。
同样的数据也能够绘制成等功率电平轮廓线图，如图6.1（c ）所示。
这些轮廓线图是一系列水平面与三维方向图在不同的功率电平处的交线，对显示功率的角空间分布是很有用的。
在大多数情况下，用二维方向图就足够了，且测量和绘制起来比较方便。
例如，如果将图6.1（a ）的方向图与通过波束峰值和0方位的垂直面相截，则得到方向图的二维切片或“切割”，称为主平面垂直方向图，如图 6.1（b ）所示。
用与第一个平面垂直或正交的平面（含峰值和0仰角）做类似的切割，得到所谓的方位方向图，它也是一个主平面截面，因为其中包含波束峰值，也包含一个角坐标轴。
这些主平面有时也称为基本平面。
其他通过波束峰值的所有垂直平面则称为基本间平面。
为了描述天线的方向性能，有时需要测量和绘制±45基本间平面内的方向图，然而对于大多数情形只需绘制方位和俯仰方向图就足够了，或者说用两个包含波束轴的平面切割对三维方向图采样就足够了（且经济得多）。
术语方位和俯仰意味着以地面为参考坐标，这并不总是可行的，尤其是对机载或天基（星基）系统。
通常，天线的更通用的一对主平面是线性极化天线的所谓E 面和H 面。
其中，E 面方向图是包含天线辐射的E 场（电矢量）方向的主平面，由于H 面与之正交，故包含H场（磁矢量）方向。
这两个主平面不依赖基于地面的方向（如方位和俯仰），故被广泛应用。
图6.1 典型的笔形波束方向图：（a ）整个方向图的三维直角坐标曲面图；（b ）主平面垂直方向图；（c ）等强度（等照射）线（由美国海军研究实验室的D. Dhoward 提供）应该注意的是，对三维方向图的采样不限于上述平面切割。
从测量技术的观点看，有时取锥形切割是有意义且方便的，也就是用以天线的电轴（或机械轴）为中心取不同角宽度的角锥来截三维方向图。
图6.1（b ）中所示的典型的二维方向图常常绘制在直角坐标系中，垂直轴用分贝表示。
至今，这是绘制方向图时最广泛采用的形式，因为它清楚地提供方向图的细节，并具有很宽的电平动态范围。