01
天線功能
天線用來發(fā)射或接收電磁波，是雷達(dá)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一。它具有以下基本功能：
. 將發(fā)射端能量以所需的分布和效率轉(zhuǎn)換成空間信號。這一過程以同樣的方式應(yīng)用于接收端。
. 信號在空間中具有一定的模式。一般來說，方位角需足夠窄，以提供所需的方位角分辨率和目標(biāo)位置更新所需的頻率。當(dāng)天線掃描方式為機(jī)械掃描時，這就等效為轉(zhuǎn)速?？紤]到雷達(dá)天線在一定頻率波段需要有尺寸巨大和重量可達(dá)數(shù)噸的反射器，高轉(zhuǎn)速可能帶來一個重要的機(jī)械問題。
. 高精度的測向。
天線結(jié)構(gòu)必須保證天線在任何環(huán)境條件下保持工作。通常在相對惡劣的環(huán)境條件下使用天線罩來保護(hù)天線。
雷達(dá)的基本性能與天線面積或孔徑和平均發(fā)射功率的乘積成正比。因此，在天線上的投入可以為系統(tǒng)性能方面帶來顯著的效果。
考慮到這些功能和雷達(dá)天線所需的效率，通常采用兩種方式：
拋物面碟形天線
陣列天線
02
天線特性
天線增益
2.1
當(dāng)天線單獨(dú)用作發(fā)射或接收用途時，天線增益是一個重要的特性。
圖1 各向同性輻射體的球形輻射
有些天線的輻射源向各個方向均勻地輻射能量，這種輻射稱為各向同性輻射。我們都知道太陽向四面八方輻射能量。從太陽輻射出來的能量在任何固定的距離和任何角度測量都是近似相同的。
假設(shè)一個測量裝置繞著太陽移動，并停在圖中所示的點(diǎn)上，以測量輻射量。在圓的任何一點(diǎn)上，從測量裝置到太陽的距離是相同的。測得的輻射也將是相同的。因此，太陽被認(rèn)為是一個各向同性的輻射體。
圖2 偶極子天線的輻射圖
天線方向圖
2.2
大多數(shù)輻射器朝一個方向的輻射比朝另一個方向輻射強(qiáng)。像這樣的輻射體稱為各向異性輻射體。然而，采用一種標(biāo)準(zhǔn)方法標(biāo)記輻射源周圍的輻射，這樣就可以很容易地將一種輻射方向圖與另一種進(jìn)行比較。
從天線輻射出來的能量形成一個具有一定輻射圖樣的場。輻射圖是一種繪制天線輻射能量的方法。這種能量是在與天線保持恒定距離的不同角度測量的。這種圖案的形狀取決于所使用的天線類型。
要繪制這種方向圖，通常使用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)兩種不同類型的圖。極坐標(biāo)圖已被證明在研究輻射圖中有很大的用途。在極坐標(biāo)圖中，點(diǎn)是通過沿旋轉(zhuǎn)軸(半徑)投影到與幾個同心等間距圓中的一個交點(diǎn)上而定位的。實(shí)測輻射的極坐標(biāo)圖如圖3所示。
圖3 極坐標(biāo)系下的方向圖
. 主瓣，圍繞最大輻射方向的區(qū)域(通常是主波峰值3dB以內(nèi)的區(qū)域)。圖3的主波方向是向北的。
. 旁瓣，遠(yuǎn)離主瓣的較小的瓣。這些旁瓣通常是輻射在不希望的方向，永遠(yuǎn)不能完全消除。旁瓣電平是表征輻射模式的一個重要參數(shù)
. 后瓣，這是與主波束方向相反的輻射的一部分。
圖4 直角坐下天線方向圖
圖4中的圖顯示了在直角坐標(biāo)圖中，點(diǎn)是通過從一對靜止的垂直坐標(biāo)軸上反射來定位的。直角坐標(biāo)圖上的橫軸對應(yīng)于極坐標(biāo)圖上的圓。直角坐標(biāo)圖上的縱軸對應(yīng)于極坐標(biāo)圖上的旋轉(zhuǎn)軸(半徑)。圖中的測量尺度可以有線性長度，也可以有對數(shù)長度。
從繪制的天線方向圖中，可以得到天線的一些重要特性：
. 前后比，方向性天線前后功率增益的比值(圖4中180度旁瓣的值:34分貝)
. 旁瓣比，遠(yuǎn)離主瓣的旁瓣的最大值。(在圖4中，副瓣的值，大約+6度:20分貝)
為了方便分析天線模式，使用了以下術(shù)語：
波束寬度
天線圖案的角度范圍，其中以至少一半的最大功率發(fā)射被描述為一個“波束”。因此，這個主瓣的邊界點(diǎn)是場強(qiáng)在范圍內(nèi)最大場強(qiáng)下降到3dB左右的點(diǎn)。然后，這個點(diǎn)被描述為波束寬度或孔徑角或半功率(-3dB)角——用符號θ(或者φ)表示。波束寬度θ正是圖5中兩個黑色標(biāo)記的功率級之間的夾角。角度θ可以在方位面用θAZ表示，也可以在俯仰面用θEL表示。
孔徑
各向同性輻射體將球體表面的所有能量分散。在給定的距離內(nèi)，功率有一個確定的密度。指向性天線將能量集中在較小的區(qū)域，功率密度比全向同性輻射體高。功率密度也可以表示為單位面積的功率。所接收的功率可與相關(guān)表面進(jìn)行比較。這個區(qū)域叫做有效孔徑。
天線的有效孔徑是指所接收或輻射信號的表面積。它是決定天線性能的一個關(guān)鍵參數(shù)。天線增益與有效面積的關(guān)系如下:
孔徑效率取決于波穿過孔徑的分布。如果分布是線性的，那么Ka=1。這種高效率會被相對較高的旁瓣抵消。因此，天線實(shí)際是具有旁瓣的，天線孔徑效率小于1(Ae< A)。
主瓣和旁瓣
上圖顯示的模式中輻射集中在幾個波瓣。一個瓣的輻射強(qiáng)度比另一個瓣的強(qiáng)得多。最強(qiáng)的瓣叫做主瓣；其他的是旁瓣。由于與陣列相關(guān)的復(fù)雜輻射模式常常包含幾個不同強(qiáng)度的波瓣，因此應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)男g(shù)語。一般來說，主瓣是那些產(chǎn)生最多輻射的瓣。旁瓣是輻射強(qiáng)度最小的瓣。
前后比
前后比是定向天線前后功率增益的比值。有時不會出現(xiàn)與主瓣完全相反的波瓣。在本例中，前后比為主瓣反方向上±10 ~±30度范圍內(nèi)最大的旁瓣。高前后比是可取的，因?yàn)檫@意味著在不需要的方向上輻射的能量最少。
極化
2.3
天線的輻射場由電場和磁場組成。這些場總是成直角。電場決定了波的偏振方向。當(dāng)一個線天線從經(jīng)過的無線電波中提取能量時，當(dāng)天線方向與電場方向相同時，會產(chǎn)生最大的電場。
電場的振蕩可以是單向的(線性極化)，或者電場的振蕩方向可以隨波的傳播而旋轉(zhuǎn)(圓極化或橢圓極化)。
圖6 偶極子的電場（藍(lán)色）和磁場（紅色）
線極化
垂直和水平安裝的接收天線分別接收垂直和水平極化波。由于天線無法接收極化不同的信號，因此，極化的變化會導(dǎo)致接收到的信號電平發(fā)生變化。主要采用兩種極化面：
在垂直極化波中，電場方向是垂直的。
在水平極化波中，電場方向是水平的。
線性極化可以接收所有平面的信號，但除了兩個極化正交的情況。當(dāng)用一個單線天線來接收無線電波時,當(dāng)電場方向一致時接收天線接收到的能量最大，因此垂直的天線用于高效接收垂直極化波,水平的天線用于接收水平極化波。
圓極化
圓極化是指每一次射頻能量循環(huán)時，電場都會360度旋轉(zhuǎn)。圓極化是由兩個90°移相接收器和兩個同時移動90°的平面極化天線引起的。由于波的強(qiáng)度通常用電場強(qiáng)度(伏特、毫伏或每米微伏)來測量，所以選擇電場作為參考場。
在某些情況下，電場的方向不保持恒定。因此，波在空間中傳播時，磁場也隨之旋轉(zhuǎn)。在這些條件下，場的水平分量和垂直分量都存在，波具有橢圓極化性。
圖7 圓極化波
圓極化包含右旋圓極化和左旋圓極化。圓極化波由與透射波相反的球形雨滴反射。在接收時，天線會排斥與圓極化方向相反的波，從而最大限度地減少對雨滴的探測。
由于飛機(jī)目標(biāo)與雨不同，它不是球形的，所以目標(biāo)的反射在原始極化意義上具有重要的分量。因此，相對于雨滴目標(biāo)，目標(biāo)信號的強(qiáng)度會增強(qiáng)。
為了最大限度地吸收來自電磁場的能量，接收天線必須位于同一極化面。如果使用極化方向不同的天線，會產(chǎn)生相當(dāng)大的損耗，實(shí)際損耗在20至30分貝之間。
在強(qiáng)空氣雜波出現(xiàn)時，空中交通管制員傾向于打開圓極化天線。在這種情況下，空氣雜波對目標(biāo)的隱藏效果會降低。
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