相控阵雷达

第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
相控阵雷达简介(续) 相控阵雷达简介(
– 移相器控制波束的发射与接收 – 无源阵:收发共用一个或几个发射机和接收机 无源阵: – 有源阵:每个阵元都连有可提供所需辐射功率 有源阵: 的收发(T R)固态组件 (T/R)固态组件, 的收发(T R)固态组件,即都是有源的 固态组件的功率源是低功率的 各阵元辐射功率在空间进行合成 各阵元辐射信号间相位关系固定,即相参 各阵元辐射信号间相位关系固定, 各阵元的相位和振幅分布可按要求控制
当波束指向 θ0 任意时,在主瓣内θ ≈θ0,得 任意时,
Nπd sin (sin θ sin θ 0 ) λ = sinc Nπd sinθ F (θ ) ≈ 0 Nπd λ (sin θ sin θ 0 )
λ
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
相控阵雷达简介(续) 相控阵雷达简介(
– 移相器:实现相扫的关键器件 移相器: – 对移相器的要求: 对移相器的要求: 移相精确,性能稳定,频带和功率容量大, 移相精确,性能稳定,频带和功率容量大, 便于快速控制,激励功率和插入损耗小, 便于快速控制,激励功率和插入损耗小,体 积小, 积小,重量轻等 – 移相器的种类: 移相器的种类: PIN二极管移相器,铁氧体移相器,数字式移 二极管移相器, 二极管移相器 铁氧体移相器, 相器等
d sinθ
θ
d 0 0
d
1 2
2 k
k
(N-1) N-1
θ 0 = sin
1
d 2π / λ
N元直线相控阵天线 元直线相控阵天线
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 各阵元在θ方向远区某点辐射场的场强矢量和为
E (θ ) = E0 + E1 + L + Ei + L + E N 1
混混 本本 中放
混混
混混
中放
中放 同波1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
同波2
同波3
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
1 2 3
多波束形成技术(续) 多波束形成技术(
混混 本本 中放
混混
混混
中放
中放 同波1
中频延迟多波 束形成系统
抽 头 延 迟 线
同波2
同波3
第3章 连续波雷达
-θ0 +θ0
– 等幅馈电时,各阵元在该点辐射场的振辐为 . 等幅馈电时,各阵元在该点辐射场的振辐为E. 号阵元为相位基准, 以0号阵元为相位基准,则 号阵元为相位基准 N sin (ψ ) j N 1(ψ ) N 1 2 e 2 jk (ψ ) E (θ ) = E ∑ e =E 1 k =0 sin (ψ ) 2 – 式中 2πdsinθ /λ 为波程差引起的相邻阵元辐射场 相位差
当 (πNd /λ)(sinθ - sinθ0) = 0, …, ±nπ (n为整 为整 分子为0 若分母不为0 数)时,分子为 ,若分母不为 ,F(θ) = 0 当 (π d /λ)(sinθ - sinθ0) = 0, …, ±nπ (n为整 为整 , 数)时,分子分母同为0,F(θ) = 1,即F(θ) 分子分母同为 , 可能出现多瓣 可能出现多瓣
多波束形成技术
多波束形成技术(续) 多波束形成技术(
1 2 3
d 放放放 放放放
d 放放放
0+
0
0-
0
0
0
0-
0
0+
移相法实 现多波束
同相
同相
同相
同波1 同波2 同波3
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理
– 通过移相器改变各阵元激励相位,实现扫描 通过移相器改变各阵元激励相位, – 假定所有阵元 无方向性 等幅同相馈 电 相邻阵元激 励电流相位 差为
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 天线照射方向θ0由移相器的相移量 决定 方向, – 在θ0方向,各阵元辐射场由波程差引起的相位差 正好抵消移相器引入的相位差, 正好抵消移相器引入的相位差,各分量同相相 加获最大值, 加获最大值,F(θ0)=1 – 改变 值,就可改变波束指向角θ0 ,从而形成波 束扫描 – 方向图最大值方向同相波前垂直 – 由天线收发互易原理,接收天线,结论相同 由天线收发互易原理,接收天线,
第3章 连续波雷达
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相扫基本原理
相扫基本原理 (续)
– 波束总是指向同 相馈电阵列天线 的法线方向 – 同相波前 MM' 的 有效天线孔径为 Ndcosθ0
d 0 1 Nd N-1
θ- θ+
同同同
θ0
M
同
Nd c o
sθ
0
M′
扫描时的波束宽度
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
4πAs
λ
2
=
4πA
λ
2
cos θ 0
o o
– 波束扫描角范围通常限制在±60 或 ±45 内. 波束扫描角范围通常限制在± o 若要覆盖整个360 ,一般要用三至四个天线阵 若要覆盖整个
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 各阵元有指向性时,若所有阵元的阵元方向图 各阵元有指向性时, Fe(θ) 一致,则总的阵列天线方向图等于阵方向 一致, 与阵元方向图F 之积 之积, 与阵元方向图 图F(θ )与阵元方向图 e(θ)之积,即 FN ( θ ) = Fe ( θ ) F( θ ) – 等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大 第一副瓣 等间距和等幅馈电的阵列天线副瓣较大(第一副瓣 电平为-13dB),常需"加权" 降低副瓣 电平为 ,常需"加权" 振幅加权:中间阵元功率大,周围阵元功率小 振幅加权:中间阵元功率大, 密度加权:中心阵元密度大,周围阵元密度小 密度加权:中心阵元密度大, 采用有方向性的阵元
栅瓣
…
主瓣
栅瓣
…
副瓣
-π 0 π
πd
λ
(sin θ sin θ 0 )
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
方向图函数
πNd sin (sin θ sin θ 0 ) 1 λ F (θ ) = N πd sin (sin θ sin θ 0 ) λ
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
当θ=θ0时为主瓣,其余为栅瓣.只取一个周 时为主瓣,其余为栅瓣. 期 -π + π
πd (sin θ sin θ 0 ) ≤ π λ
1 ≤ λ | sin θ sin θ 0 |
d
因 | sinθ - sinθ0 |≤1+| sinθ0 |,则无栅瓣条件 ,
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
相控阵雷达简介(续) 相控阵雷达简介(
– 有源阵的优点: 有源阵的优点 功率源直接联在阵元后面,馈源和移相器的 功率源直接联在阵元后面, 损耗不影响雷达性能;接收机噪声系数由T/R 损耗不影响雷达性能;接收机噪声系数由 组件中的低噪声放大器决定 阵元馈源和移相器功率容量低,轻便廉价 阵元馈源和移相器功率容量低, 大量低功率固态源取代易损坏的高电压, 大 大量低功率固态源取代易损坏的高电压, 功率发射机, 功率发射机,系统可靠性提高 固态阵和数字波束形成及阵列信号处理技术 相结合, 相结合,天线性能改善潜力大
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
多波束形成技术(续) 多波束形成技术(
定定定定放
l1 l2
d
波2 同
β
同波1 同相同相
同波1同相 同波2同相 同波1 接接接 同 波 选 择 放 高 度 计计接 显显放
射频延迟线多 波束形成系统
同波2 接接接
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
1 2 3
多波束形成技术(续) 多波束形成技术(
得波束半功率(3dB)宽度 得波束半功率( )
θ 0.5
0.886 50.8 ≈ λ ( rad ) ≈ λ ( °) Nd Nd
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
当d = λ/2时,若要θ0.5 =1 ,则需阵元 N=100 时
o
θ 0.5
100 ≈ (°) N
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 栅瓣问题 在 -90 ~90 内线阵单值测角条件: d ≤ λ /2 线阵单值测角条件:
o o
当 d > λ /2 时,在 -90 ~90 内将出现栅瓣
o o
波束域(空域频谱)混迭现象:栅瓣是主瓣 波束域(空域频谱)混迭现象: 在其它方向上的再现, 在其它方向上的再现,空间信号欠采样
1 1 ≤ ≤ λ 1+ | sin θ 0 | 2
d
d≤
λ
2
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 波束宽度 波束指向法线方向,即θ0 = 0,方向性函数 波束指向法线方向, ,
1 Nπ Nπd π F (θ ) = sin d sinθ sin d sinθ ≈ sinc sinθ N λ λ λ
第3章 连续波雷达
多波束形成技术
多波束形成技术
– 收发都用多波束 – 接收多波束,发射宽波束,收发覆盖相同空域 接收多波束,发射宽波束, – 接收多波束用得较多,因为: 接收多波束用得较多,因为: 功率弱,技术上易实现,控制和处理灵便 功率弱,技术上易实现, – 多波束形成方法 射频延迟线,中频延迟线,移相法,脉内频 射频延迟线,中频延迟线,移相法, 数字波束形成( 扫,数字波束形成(DBF) )
因 sinc() 函数对参量 sinθ0 的主瓣宽度处处一 致,即sinθ0 = 常数 ≈ θ0.5,由微分 sinθ0 = θ0 cosθ0 ,得任意 θ0 时的波束半功率宽度
θ 0.5 s
θ 0.5 = θ 0 (3dB宽度) = cos θ 0
o
θ0 越大,波束越宽,例 θ0 = 60 ,θ0.5s ≈ 2θ0.5 越大,波束越宽,
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 当 =ψ 时,各分量同相相加,场强幅值最大 各分量同相相加, | E (θ ) |max = NE – 定义归一化方向性函数为 | E (θ ) | F (θ ) = | E (θ ) |max
N πNd sin (ψ ) sin (sin θ sin θ 0 ) 1 2 = 1 λ = N N 1 πd sin (ψ ) sin (sin θ sin θ 0 ) 2 λ
ψ = 2πD sin θ 0 / λ = 2π cD sin θ 0 / f
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
若ψ 不变,则频率变化 δf 引起的波束指向变 不变, 引起的波束指向变 化 δθ 为
δθ = δf tan θ 0 / f
代入百分比带宽 Ba(%) = 2(δf / f)×100,得 δ × , Ba (%) δθ = ± tan θ 0 (rad ) = ±0.29 Ba (%) tan θ 0 (°) 200 代入波束宽度θB(s) = θB /cosθ0 ,θB为法线方 向波束宽度 δθ Ba (%) = ±0.29 sin θ 0 θ B (s) θB
第3章 连续波雷达
相扫基本原理
相扫基本原理(续) 相扫基本原理(
– 相扫天线的带宽 前面对相控阵的讨论只限于窄带信号,B << f 前面对相控阵的讨论只限于窄带信号, 相控阵天线方向图 F(θ) 随载频 f 变化 f↑=>λ↓=> >λ /2 => θ ) 压缩,出现栅瓣 ↑=> ↓=>d =>F( 压缩,出现栅瓣 波束指向θ0 时线阵孔径两端相位差
现代雷达技术
第4章 相控阵雷达
第3章 连续波雷达
本章介绍
本章简介
– 相控阵雷达简介 – 多波束形成技术 – 相扫基本原理 – 空域滤波及数字波束形成引论
第3章 连续波雷达
相控阵雷达简介
相控阵雷达简介
– 相位控制阵列:多个天线单元排成,各阵元馈电 相位控制阵列:多个天线单元排成, 相位按一定程序灵活控制, 相位按一定程序灵活控制,完成特定的空间扫描 – 优点: 优点: 相扫,无机械惯性,快速波束捷变 相扫,无机械惯性, 多目标,远距离,高数据率,高可靠性 多目标,远距离,高数据率, 多功能,多波束,自适应抗干扰 多功能,多波束, – 缺点: 缺点: 波束宽度随扫描方向变化
– 发射能量一定,θ0↑,波束↑ ,天线增益↓ 发射能量一定, 波束↑ 天线增益↓ 方向, – 波束扫到θ0方向,天线有效口径是真实口径在等 相位面上的投影,对一维线阵有A 相位面上的投影,对一维线阵有 s=Acosθ0,尺 寸减小,此时波束指向处的天线增益为 寸减小,此时波束指向处的天线增益为
G (θ 0 ) =