相控陣雷達:波束掃描技術

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管理員 2021-03-28 21:23

相控陣采用的是電子方法實現波束無慣性掃描,因此也叫電子掃描陣列(ESA),它的波束方向可控、掃描也靈活,并且增益也可以很高。



對于相控陣天線輻射的電磁場及其能量分布通常用歸一化的天線方向圖來描述,它反映了波束形狀、天線增益、副瓣等特性。



波束的指向始終與等相位面垂直,而等相位面由陣元間的饋相關系確定,因此在各個陣元都是等幅饋電情況下,線性陣的波束方向圖函數為sinc函數。?可以通過陣因子來計算相控陣波束寬度,詳細的公式推導在有關相控陣的書籍中都有,?這里給出結果:

通常,均勻口徑照射情況下3dB波束寬度的k=0.886,若是4dB波束寬度的k=1;


天線口徑越大,波束越窄


從上面的公式可以看出當天線口徑(Nd)越大,也就是陣元數越多,陣元間距越大,波束越窄;直觀的理解就是線陣越長,波束寬度就越窄,天線增益越大!




描角度越小,波束越窄


隨著掃描角度的增大,波束寬度會變寬,掃描角正負60度時,其余弦值為1/2,相比于0度時增大了一倍;隨著掃描角度的增加,不僅僅是波束寬度會惡化,天線增益也會惡化。通常一般不大于正負60度,這也是某些戰艦或預警機上用三塊天線來覆蓋360度空域的原因。



波長越短,波束越窄


從公式還可以看出在天線口徑不變的情況下,波長越長,波束寬度越大;例如:對于機載火控雷達,可用空間就那么大,因此更適合使用波長短的更高頻段,以便獲得更窄的波束。


動圖仿真:


為了簡化對波束掃描的動圖仿真,幅度進行了歸一化,指向0°時是0dB。仿真時設置:N=32,d=λ/2,波束指向θB從0~60°,再從60~0°,得到下面的動圖:


從該動圖可以看出:


1. 隨著波束指向的增大,波束寬度變胖,當達到60°時,變胖了一倍。

2. 隨著波束指向的增大,增益也有降低。

3. 沒有進行降低旁瓣的加權,旁瓣較高。


波束寬度與掃描角θB的關系:?

當掃描的最大角度為θmax時,為了不出現刪瓣,陣元間距d和波長λ需要滿足關系:

也就是說當陣元間距小于半波長時,即使掃描到90°都不會出現刪瓣。如果你想看看出現刪瓣的情況,這里也有(設置d=0.7λ)。



仿真程序如下:




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