环栅型宽带多波束相控阵天线初探
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ｗｉ ｅｒｎ － ａ ｅｌ ｎ ｅｖ ｓａ ｉ ｌ ｎ ｏ ｓ ｔ ｔ ｉｇ ｇ ｔ ｅ ｓｓ ｒ ｅ ｓ ｓｍｕ ｔ ｅ ｕ ｌ — ｅ ｍ ｈ ｓ ｄ ａ ｒ ｙ ａ ｔｎ ａ Ｔｈ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆ ｈ ｎ ｅ ｎ ｓ ｈ ｈ ａ ａ ｍｕ ｔ ｂ ａ ｐ ａ ｅ ｒａ ｎ ｅ ｎ ． ｅｒ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｏ ｅ ａ ｔ ｎ ａｉ ｉ ｅ ｈ ｃ ｔ
带多 波束 。
斛
・
㈣
・４ ４ ０・
现代导航
Ｈ 多 波 束 扫 描 方 向 图 面
２ １ 年 ０１
式 中 ，ｕ Ｒ ｉ０ Ｒ为 圆波 导辐射 单元 的半径 ， 、 ＝ｋ ｓ ， ｎ
分别 为第 一类零 阶和 一阶 贝塞 尔 函数 。
由于环栅 型相控 阵 受能面 为非 扫描 平面 ，其 单 元 的最 大指 向应尽 可 能指 向焦 区，因此为提 高 受能 面 效率 ，可采用 较大 的辐射 单元 口径 ，其单 元构 成 的形 面为抛 物 型面 。
元 口径 的余 弦分布 ，使得 其 、 面 的方 向图偏差
利 用 多 级 定 向耦 合 器 的组 合 或 利 用 巴特 勒矩 阵 可 以形 成 多个 波 束 ，但 不 管是定 向耦 合器 还是 巴特勒 矩 阵 ， 它们 都 存 在 频 带 较 窄 和 插 入 损 耗较 大 的 问 题 ；而且组 合之 后 ，系统 复杂 、笨 重 ，即使 设计 能
无辐 射 。
２环栅型相控阵辐射单元的设计分析
在设 计分 析单 元 的 口径 时 ，先 定义 几种 口径 型 辐 射单元 面积 。以阵面 中最 外层辐 射 单元 的外切 线 为边 ，设 环栅 型相 控 阵天线 的物理 面积 为 Ａ 物 ，阵 中的总 单元 数为 ， 单元 的栅格 面积 为 栅 栅 ．则 ：
・３ ４ ８・
现代 导航
２ １ 焦 ０１
环栅型 宽带 多波束相控 阵天线初探
李长源
（ 中国电子科技集团公司第二十研 究所，西安 ７ ０ ６ ） １ ０ ８
摘 要：抛物透镜式天线利用其馈 源偏置特性可 同时产生多波束 ，当透镜为环栅型相控阵形 式时，该组合天线即成为同时多波束相控阵天线，因此研究该型天线的特性，具有非常重要的使
天线 设计 中 的一个重 要 问题 ，一 般情况 采 用 以下措
施：
（ ）打 破 单元 在 平 面 内排 列 的周 期 性 ，采 用 ａ
非周 期性 的单 元排 列形 式 ，如 环栅 型 ；
（ ）采 用 比较大 的辐 射单 元 口径 ，利 用单 元 ｂ 因子 抑制栅 瓣 电平 ；
收稿 日期：２ １ ０２ 。 ０ １１．８
大 ，单元 因子在 栅 瓣处 的抑制 作用就 越大 ，从单 元
口径 的定 义知 道 ，在单 元设 计时是 要尽 可 能地选取 较大 的 口径尺 寸 ，使 效 与 及 栅 量逼 近 。在 尽 口径 型单 元 中 ，有 圆形 口径 和矩 形 口径之 分 ，矩形
时 间对 目标 进 行跟踪 ，这 将导 致搜 索数 据率进 一步
的重视 。但 当这 样 的相 控 阵天线 又 能支持 超宽 带 同 时具有 多波束 特性 时 为雷达 的 目标搜 索和截 获 ，它
又 节省 了时 间资源 ，这 些需求 正是 防御 系统 ，特 别 是 它 既能快速 广域 截获 己方 炮弹 位置 ，又 能精密 跟 踪 敌方 目标信 息 ，是 系统 迫切 需求 的一种 高性 能天
径 形成多个独立 的波束 ，形成多波束的方法有 多 种 ，不 同方 法 的复杂程 度和 性 能有较 大 区别 ，其 中
最为 广泛使 用 的多波 束是 两维 单脉冲 形成 。 为 了提高 雷达 的测 角分辨 率 、测角 精度 和抗 干 扰能 力往往 要 求天线 波束 宽度 尽可 能窄 。但 天线波 束 宽度变 窄 以后 ，若仍 用单个 天线 波束 去搜 索一 定 的 空域 ，则搜索 时 间增加 ，这 意 味着雷 达数据 率 要 下 降。对 于要 观测 多批 目标或 同时观 测 己方炮 弹和
的交 叉极 化 ，使 口径效率 略有 下 降，但单 元 的 Ｅ、 方 向 图动态性 能 最好 ，可 以实现 宽角 匹配 ，在 工 程 设计 中 已被 广泛 使用 。
使工 作于 窄带 时工程 中也 很少 使用 ，不 适合 宽带 多
波 束 方案 。 相控 阵 天线 采 用 空 间馈 电 的方 法 已被 广 泛 使
实现 最佳 ，也不可 能工 作于超 宽带系 统 。所 以，即
较 大 ，往 往 设计 的相扫 天线 ，其 Ｅ 面 的动态 扫 、
描增益下降不能达到最佳，单元间距较大时矩形 口 径 的情 况将 变得更 差 。圆形 口径 的辐 射单元 当传输
ｌ
主 模时 ，虽 然 由于 口径场 分 布 中产生 了不必要
ｏ ｇ ｉ ｃｎ ｅ ｆｓ ｎ ｆ ａ ｃ ． ｉ ｉ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ Ｒｉｇ Ｇａｅ Ｐ ｒｂ ｌｉ； Ｌｉ ｔｄＳ ａ ｈ ｓｄＡｒａ ； Ｌ ｎ ； Ｂｅ ｍ ｆｓｔ ｙ ｗ ｒ ： ｎ — ｔ； ａａ ｏｏｄ ｍｉ ｃｎＰ ａｅ ｒｙ ｅ ｅｓ ａ Ｏｆ ｅ
相 控 阵天 线 【 】 捷 变 为雷 达 系统 提供 了多 １ 波束 ． ４ 目标 、高数据 率 、高精度 及多 功能等 多项 技术 ，能
来袭 导弹 时 ，除用于 目标搜 索 的时 间外 ，还要 分割
在环 栅 型相控 阵天 线 中，不仅 非周 期性 排列 可
对栅 瓣进 行抑 制 ，还有 一项 就是利 用辐 射单 元 的单 元 因子 。较 大 的 口径辐 射单 元且 更均 匀 的单 元 口径
场 分 布 可 以产 生 较 窄 的单 元 辐 射 方 向 图 ， 口径越
的。 由于单元数 目的减少 ， 同时阵面单元间距较大，
天线 将 出现隐 形栅瓣 。如何抑 制 栅瓣 电平 是环栅 型
目，因为移相器和控制系统在相控阵天线的造价 中
占有 一 定 的比例 。所 以，本 初探 是在 满足 系统 性能 的前提 下 ，最大化 地减 少可控 单 元 的数 量 。 天 线带 宽与 雷达系 统抗 干扰 特性密 切相 关 ，它
第 ６期
李 长源 ：环栅型 宽带 多波束相控阵天线初探
・３ ４ ９・
（ ）采 用 电磁 波 的 空 间滤波 器 （ 天线 罩 ） ｃ 如
在 阵 列天 线栅瓣 的位 置抑 制 电磁波 功率 的透射 ； （ ）采 用 辐射 单 元 口径 上 的多 模 技术 ，使单 ｄ 元方 向图在 阵 列方 向图栅 瓣处 的幅度 最 小 ； （ ）可 在 一个 阵 列天 线 中使 用 多 种辐 射 单 元 ｅ 口径 ，并使 单 元随机 地进 行排 列 ； （） 阵列排 列形 式 中，采用 重叠 或交错 子 阵 ｆ在 技术 ，使 子 阵在天 线有 效 电扫 范 围中 的辐射尽 可 能 地接 近平 顶子 阵方 向 图，使 电扫描 范 围之外 尽可 能
３环栅型 、多波束相控 阵辐射方 向图
馈 电喇 叭数量 为 ７只 （ 位 ５只 ，俯仰 ３只 ， 方 中心喇 叭馈源 公用 ） ，馈 源 口径为 ａ ，阵元总 数 Ｘｂ 为 ３０ 个 ， 圈数为 ２ ， ００ 总 ９ 最外 圈阵面 直径 ｌ０ｍｍ。 Ｏ０
因此 ，环栅 型有 限相扫 天线 的方 向函数 为 ：
图 １ 理论计算馈源 Ｅ面方 向图
Ｎ Ｍ ｉ、 Ｉ
ｔ ｔ 角度 ） ｈ ａ（ ｅ
ＦＯ ）∑∑ ，・（ ・ （ ＝ ｆＯ ， ） ，
ｉ１ ＝ ＝ ｊ ｌ
ｃｓ （ ・ｏ ￣ ｙ．ｎｏ．ｎ ＋ Ｐ ｉ 一 ￣ｉ ｏ ｃ ｓ ＋ ｓ ￣ ｓ ０ Ｉ （ Ａｏ ， ｏ ｉ ）ｉ ， （
环 栅 型相 控 阵 辐射 单 元 为 圆形 口径 时 ，Ｅ、
面 方 向函数分 别为 ：
用 ，它 利用 了几何 光 学法和射 线跟 踪法 ，可 以分析
设计出非常理想的天线系统。它具有馈 电简单、口
径 幅度 分布 有 限可 控 ，特 别 是 具 有 宽 带 的 突 出优
点，当需要多波束时，利用天线 口径线性相差、馈 电焦斑偏移的波束偏移因子 ，非常有效地实现超宽
降低 ，要解 决这 一 问题 ，很大 程度 上依 赖于相 控 阵 天线 的 多个波 束能力 。 当相控 阵 天线采 用 强制馈 电时 ，在 馈 电网络 中
口径 的场分布在传输 凰。 主模时具有余弦分布，其
口径效率 为 ０８ ，当产 生高 次模时 ，则 效率下 降 ， ．１ 所 以单元 设计 时要 保证仅 有 主模 ，但 又 由于 矩形 单
１设 计 方 法
环 栅 型 相控 阵 天 线 能 大 幅 度 减 少 相 控 阵 面 的 移相 器 和辐 射 单 元 ，从 而 实 现 降低 天 线 造 价 的 目
线 分机 。 有 限相 扫 天 线 与 普 通 宽角 平 面 相 控 阵 天 线 相 比进一 步 降低 了雷达 的使用 成本 ，是 天线 扫描 范 围 和 相控 阵天线 价格 之 间的折 衷 ，表现 在天 线系 统设 计 中就 是要尽 量地 减少 使用 移相 器或 ＴＲ组件 的数 ／
（） ２
・ 一 一 一 一 １ ０ 一一 － Ｌ － 一 要 －
第三馈 源
Ｊ
其中， （，） Ｙ 为阵列由对应喇叭馈电时天线口径的
幅 分布， （ ） 射单 度 ｓｏ 为辐 元方向 子， ｆ） ， 性因 △ （ ， Ｊ
满 足现 代雷达 的 技术 需求 ，因而 它越 来越 受到人 们
又是 雷达 系统截 获超 低 空来袭 目标 的重 要手 段 。天
线系 统设计 时要 选用 频 响缓慢 的设 计方 案 ，采用 超 宽带辐 射单 元和 超 宽带馈 源喇 叭 。在 空馈和 强馈 均 可供 选择 时 ，选用 空馈 是 一种最 佳 的方式 ，它 能实 现宽 带匹配 ，同时又 能在 射频 域极 易实 现 多波束 ， 并取 消有 限带 宽 的魔 Ｔ比较器 。
种 因素，本初探采用两种措施即可实现设计要求 ，
即上 述 中的 （ ）和 （ ） ａFra Baidu bibliotekｂ。
口径 型 辐 射 单 元 的 物 理 面 积 并 不 等 于有 效 面
积，仍定义单元的有效面积为 效 ，由于口径型单
元 的场分 布 并非均 匀 ，所 以也有 下式成立 ：
效＜ 口
宽 带 多波 束 相控 阵 天线 可 以利 用 同一 天 线 口
＝ Ａ 枥Ｍ 。 ｜
当单 元栅 格面 积确 定后 ，对 于 口径 型辐 射单 元 （ 非振 子 型 或其 它 形式 ） ，定 义 口径 型辐 射 单元 的 口径物理 面积 为 ，很显 然 ，选 用 口径单 元时 仍
有 下式 成立 ： 口 ＜ 栅 。
采用 上述 技术 之后 ，理论 上可 最大 化 的抑 制 天 线栅 瓣 电平 。但 由于 加工技 术 、系统带 宽要 求等 多
用价值 。
关键词：环栅型；抛物面；有限扫描相控 阵；透镜；波束偏移
中图分 类号 ：Ｔ ２ ５ Ｎ８３１ 文献 标识码 ： Ａ 文章编 号 ：１７ ．９６（０ １０ ．３．６ ６４７ ７． １）６４ ８０ ２
Ｒｉ ｇ－ ｔ ｏ ｄ ａ ｄＭ ｕ ｔ－ ａ Ｐ ａ ｅ ｒ ｙＡｎ ｅ ｎ ｎ － ｅＢｒ ａ ｂ ｎ ｌ － Ｇａ ｉＢｅ ｍ ｈ ｓ ｄＡｒａ ｔ ｎ ａ
Ｌ ａｇ ｕ ｎ ＩＣｈ ｎ ｙ ａ
Ａｂｓ ｒ ｃ ： Ｆ ｒ ｈ ａａ ｏｉ ｎ ｎｅ ｎ ｔ ｆｓｔｆｅ ａ ｅ ｅａｅｍｕｔ—ｅ ｍ ｔｓｍｅｔ ，ｈ ｈ ｓｄａｒｙａ ｔｎ ａ ｔ ａ ｔ ｏ ｅｐ ｒｂ ｌ ｌ ｓ ｔｎ ａｗｉ ｏ ｅ ｅ ｄｃ ｎｇ ｎ ｒｔ ｌ ｂ ａ ａ ａ ｉ ｔ ｅｐ ａｅ ｒａ ｎｅ ｎ ｔ ｃｅ ａ ｈ ｉ ｍｅ
带多 波束 。
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Ｈ 多 波 束 扫 描 方 向 图 面
２ １ 年 ０１
式 中 ，ｕ Ｒ ｉ０ Ｒ为 圆波 导辐射 单元 的半径 ， 、 ＝ｋ ｓ ， ｎ
分别 为第 一类零 阶和 一阶 贝塞 尔 函数 。
由于环栅 型相控 阵 受能面 为非 扫描 平面 ，其 单 元 的最 大指 向应尽 可 能指 向焦 区，因此为提 高 受能 面 效率 ，可采用 较大 的辐射 单元 口径 ，其单 元构 成 的形 面为抛 物 型面 。
元 口径 的余 弦分布 ，使得 其 、 面 的方 向图偏差
利 用 多 级 定 向耦 合 器 的组 合 或 利 用 巴特 勒矩 阵 可 以形 成 多个 波 束 ，但 不 管是定 向耦 合器 还是 巴特勒 矩 阵 ， 它们 都 存 在 频 带 较 窄 和 插 入 损 耗较 大 的 问 题 ；而且组 合之 后 ，系统 复杂 、笨 重 ，即使 设计 能
无辐 射 。
２环栅型相控阵辐射单元的设计分析
在设 计分 析单 元 的 口径 时 ，先 定义 几种 口径 型 辐 射单元 面积 。以阵面 中最 外层辐 射 单元 的外切 线 为边 ，设 环栅 型相 控 阵天线 的物理 面积 为 Ａ 物 ，阵 中的总 单元 数为 ， 单元 的栅格 面积 为 栅 栅 ．则 ：
・３ ４ ８・
现代 导航
２ １ 焦 ０１
环栅型 宽带 多波束相控 阵天线初探
李长源
（ 中国电子科技集团公司第二十研 究所，西安 ７ ０ ６ ） １ ０ ８
摘 要：抛物透镜式天线利用其馈 源偏置特性可 同时产生多波束 ，当透镜为环栅型相控阵形 式时，该组合天线即成为同时多波束相控阵天线，因此研究该型天线的特性，具有非常重要的使
天线 设计 中 的一个重 要 问题 ，一 般情况 采 用 以下措
施：
（ ）打 破 单元 在 平 面 内排 列 的周 期 性 ，采 用 ａ
非周 期性 的单 元排 列形 式 ，如 环栅 型 ；
（ ）采 用 比较大 的辐 射单 元 口径 ，利 用单 元 ｂ 因子 抑制栅 瓣 电平 ；
收稿 日期：２ １ ０２ 。 ０ １１．８
大 ，单元 因子在 栅 瓣处 的抑制 作用就 越大 ，从单 元
口径 的定 义知 道 ，在单 元设 计时是 要尽 可 能地选取 较大 的 口径尺 寸 ，使 效 与 及 栅 量逼 近 。在 尽 口径 型单 元 中 ，有 圆形 口径 和矩 形 口径之 分 ，矩形
时 间对 目标 进 行跟踪 ，这 将导 致搜 索数 据率进 一步
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又 节省 了时 间资源 ，这 些需求 正是 防御 系统 ，特 别 是 它 既能快速 广域 截获 己方 炮弹 位置 ，又 能精密 跟 踪 敌方 目标信 息 ，是 系统 迫切 需求 的一种 高性 能天
径 形成多个独立 的波束 ，形成多波束的方法有 多 种 ，不 同方 法 的复杂程 度和 性 能有较 大 区别 ，其 中
最为 广泛使 用 的多波 束是 两维 单脉冲 形成 。 为 了提高 雷达 的测 角分辨 率 、测角 精度 和抗 干 扰能 力往往 要 求天线 波束 宽度 尽可 能窄 。但 天线波 束 宽度变 窄 以后 ，若仍 用单个 天线 波束 去搜 索一 定 的 空域 ，则搜索 时 间增加 ，这 意 味着雷 达数据 率 要 下 降。对 于要 观测 多批 目标或 同时观 测 己方炮 弹和
的交 叉极 化 ，使 口径效率 略有 下 降，但单 元 的 Ｅ、 方 向 图动态性 能 最好 ，可 以实现 宽角 匹配 ，在 工 程 设计 中 已被 广泛 使用 。
使工 作于 窄带 时工程 中也 很少 使用 ，不 适合 宽带 多
波 束 方案 。 相控 阵 天线 采 用 空 间馈 电 的方 法 已被 广 泛 使
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较 大 ，往 往 设计 的相扫 天线 ，其 Ｅ 面 的动态 扫 、
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在环 栅 型相控 阵天 线 中，不仅 非周 期性 排列 可
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天线 将 出现隐 形栅瓣 。如何抑 制 栅瓣 电平 是环栅 型
目，因为移相器和控制系统在相控阵天线的造价 中
占有 一 定 的比例 。所 以，本 初探 是在 满足 系统 性能 的前提 下 ，最大化 地减 少可控 单 元 的数 量 。 天 线带 宽与 雷达系 统抗 干扰 特性密 切相 关 ，它
第 ６期
李 长源 ：环栅型 宽带 多波束相控阵天线初探
・３ ４ ９・
（ ）采 用 电磁 波 的 空 间滤波 器 （ 天线 罩 ） ｃ 如
在 阵 列天 线栅瓣 的位 置抑 制 电磁波 功率 的透射 ； （ ）采 用 辐射 单 元 口径 上 的多 模 技术 ，使单 ｄ 元方 向图在 阵 列方 向图栅 瓣处 的幅度 最 小 ； （ ）可 在 一个 阵 列天 线 中使 用 多 种辐 射 单 元 ｅ 口径 ，并使 单 元随机 地进 行排 列 ； （） 阵列排 列形 式 中，采用 重叠 或交错 子 阵 ｆ在 技术 ，使 子 阵在天 线有 效 电扫 范 围中 的辐射尽 可 能 地接 近平 顶子 阵方 向 图，使 电扫描 范 围之外 尽可 能
３环栅型 、多波束相控 阵辐射方 向图
馈 电喇 叭数量 为 ７只 （ 位 ５只 ，俯仰 ３只 ， 方 中心喇 叭馈源 公用 ） ，馈 源 口径为 ａ ，阵元总 数 Ｘｂ 为 ３０ 个 ， 圈数为 ２ ， ００ 总 ９ 最外 圈阵面 直径 ｌ０ｍｍ。 Ｏ０
因此 ，环栅 型有 限相扫 天线 的方 向函数 为 ：
图 １ 理论计算馈源 Ｅ面方 向图
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环 栅 型相 控 阵 辐射 单 元 为 圆形 口径 时 ，Ｅ、
面 方 向函数分 别为 ：
用 ，它 利用 了几何 光 学法和射 线跟 踪法 ，可 以分析
设计出非常理想的天线系统。它具有馈 电简单、口
径 幅度 分布 有 限可 控 ，特 别 是 具 有 宽 带 的 突 出优
点，当需要多波束时，利用天线 口径线性相差、馈 电焦斑偏移的波束偏移因子 ，非常有效地实现超宽
降低 ，要解 决这 一 问题 ，很大 程度 上依 赖于相 控 阵 天线 的 多个波 束能力 。 当相控 阵 天线采 用 强制馈 电时 ，在 馈 电网络 中
口径 的场分布在传输 凰。 主模时具有余弦分布，其
口径效率 为 ０８ ，当产 生高 次模时 ，则 效率下 降 ， ．１ 所 以单元 设计 时要 保证仅 有 主模 ，但 又 由于 矩形 单
１设 计 方 法
环 栅 型 相控 阵 天 线 能 大 幅 度 减 少 相 控 阵 面 的 移相 器 和辐 射 单 元 ，从 而 实 现 降低 天 线 造 价 的 目
线 分机 。 有 限相 扫 天 线 与 普 通 宽角 平 面 相 控 阵 天 线 相 比进一 步 降低 了雷达 的使用 成本 ，是 天线 扫描 范 围 和 相控 阵天线 价格 之 间的折 衷 ，表现 在天 线系 统设 计 中就 是要尽 量地 减少 使用 移相 器或 ＴＲ组件 的数 ／
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又是 雷达 系统截 获超 低 空来袭 目标 的重 要手 段 。天
线系 统设计 时要 选用 频 响缓慢 的设 计方 案 ，采用 超 宽带辐 射单 元和 超 宽带馈 源喇 叭 。在 空馈和 强馈 均 可供 选择 时 ，选用 空馈 是 一种最 佳 的方式 ，它 能实 现宽 带匹配 ，同时又 能在 射频 域极 易实 现 多波束 ， 并取 消有 限带 宽 的魔 Ｔ比较器 。
种 因素，本初探采用两种措施即可实现设计要求 ，
即上 述 中的 （ ）和 （ ） ａFra Baidu bibliotekｂ。
口径 型 辐 射 单 元 的 物 理 面 积 并 不 等 于有 效 面
积，仍定义单元的有效面积为 效 ，由于口径型单
元 的场分 布 并非均 匀 ，所 以也有 下式成立 ：
效＜ 口
宽 带 多波 束 相控 阵 天线 可 以利 用 同一 天 线 口
＝ Ａ 枥Ｍ 。 ｜
当单 元栅 格面 积确 定后 ，对 于 口径 型辐 射单 元 （ 非振 子 型 或其 它 形式 ） ，定 义 口径 型辐 射 单元 的 口径物理 面积 为 ，很显 然 ，选 用 口径单 元时 仍
有 下式 成立 ： 口 ＜ 栅 。
采用 上述 技术 之后 ，理论 上可 最大 化 的抑 制 天 线栅 瓣 电平 。但 由于 加工技 术 、系统带 宽要 求等 多
用价值 。
关键词：环栅型；抛物面；有限扫描相控 阵；透镜；波束偏移
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