雷达手册第3版中文)_第12章反射面天线.pdf

第12章反射面天线 12.1引言 菌撞在部瞅鳝黯在揭 雷达反射面天线的作用是把发射(接收)的能量及其伴随的波形辐射到(藕合自)自由 空间发射模式下，天线把来自发射机的导波辐射到自由空间，并把一般能量聚集在一定的 角域或波束宽度内接收状态下，反射面天线的工作则恰好相反，它从一定角域内接收雷达 目标反射回来的能量(即回波)这些回波然后转换成导波并在雷达接收机内加以放大和随 后进行处理 通常情况下，雷达反射面天线必须设计成能使波束扫描整个视场(FOV)，扫描方式可 以是机械的或电子的(或二者结合)在12.4节将讨论用阵列馈电的波束电扫方法(一定视 场范围内)因此，反射面天线有如下几个重要功能: (I)把来自发射机的导波转换成辐射波(接收时则相反); (2)将辐射能量集中或束缚在具有特定增益和波瓣宽度的定向波束中: (3)收集雷达目标散射的反射能量; (4)通过电子或机械的(或二者结合)手段实现波束扫描 去鳝攘黯扫描 对于大多数雷达应用来说，选用反射面天线还是选用直接辐射的相控阵天线，通常取决 于扫描速率、扫拮空域和成本等因素在下列几种情况下，雷达通常采用反射面天线: (I)慢的扫描速率够用，于是机械扫描足以满足: (2)要求非常高的孔径增益(电孔径大)，而采用相控阵天线即电扫描阵列(ESA)成本 昂贵: (3)扫描范围有限时，可以采用阵列馈电的反射面天线来实现。

20世纪80年代和90年代时期，移相器和收发(TI1主)组件技术日臻成熟，电扫描阵列 天线的成本急剧降低这些进展导致人们对电扫描阵列用于宽角扫描雷达愈来愈感兴趣，而 阵列馈电的反射面天线则仅用于有限扫描场合 嚣黠酣睡天费撇翩翩 前段中提到，电扫描阵列天线在现代雷达系统中的大量应用主要是由于收发组件成本的 显著降低和其技术进步在今天的诸多雷达系统设计中，电扫描雷达的优良性能也是说明反 射面天线应用减少的一个原因 然而，在某些雷达系统中仍然适合采用反射面天线，未来也将继续采用以下是适合采 用反射面天线的3类雷达应用的例子，简述如下 第12章反射面天线.445 • 低成本雷达 对于成本受限、而机械扫描速率已足够满足要求的雷达来讲，反射面天线仍然是首要选 择商用气象雷达(如NEXRAD和TDWR)就是如此 超高增益、远程雷达 对于要求超高增益的雷达应用来讲，电扫描阵列的高成本一般仍然令人望而却步，而反 射面天线却是实现高增益的一种经济途径两个必须具有高增益的远程雷达的例子是导弹防 御雷达和星载雷达 有限扫描雷达 有些雷达只需工作在一个有限的视场内，或者需要在较小的视场范围内快速扫描，而在 大视场内慢速机械扫描。

电扫描阵列馈电的反射面天线正好适用于这些雷达，这将在12.3节 予以详细介绍三个例子是:导弹防御雷达、星载雷达和地面搜索跟踪雷达(一维方位电扫 足以适合这些应用) 展描菌素摆阔窍寨 雷达反射面天线可以有多种不同分类方法一种有用的分类准则是电气设计，即反射面 的光学结构表12.1用这种分类方法对一些常用反射面天线结构的性能简要地做了比较 12.3节将对这些天线结构的性能进行更为详细的分节论述另一种分类方法是根据平台形式 (车载)或者工作位置(地基，舰载，机载或星载)进行分类平台对反射面天线提出了机 械和环境的要求，而这也常常决定或限制了反射面的尺寸反射面天线结构将在12.3节讨论 和比较，机械和环境的设计考虑将在12.6节中论述 表12.1各种反射面天线结构主要性能比较 单抛物反射面柱形反射面 双反射面(卡塞格伦 共焦抛物面球面和圆环面 或格利高里〕 电扫描·俯仰和方位扫描范·宽角一维扫描·俯仰和方位扫描范·用平面电扫阵列作为馈·有实现一维宽角扫描 围有限·利用电扫线源实围有限源(圆环面)或二维 ·通过馈源切换实现现-维宽角电扫·通过馈源切换实现·扫描通常有限，但可改(球面)扫描的潜力 变放大率提高扫描范围·通过馈源切换实现 孔径效·中至高·中至向·高·局·中至低 率与馈·单喇叭馈源无电扫·一维电扫线源·单喇叭馈源无电扫·二维电扫平面阵馈源·在困弧上(困环面) 源类型·阵列馈电可实现电·电扫阵列(切换馈或球弧上(球面)切 扫(切换馈源)源)换波束阵列 遮挡·通过偏馈降低馈源·通过偏馈降低馈·通过偏馈降低馈源·通过偏馈降低馈源遮挡·用于较宽角扫描时遮 遮挡源遮挡遮挡档问题严重 ·司将馈源移至反射 面后面 本章共分为5节。

12.2节概述反射面天线设计的基本原理和相关参数12.3节简要综述 .446. 雷达手册(第二版) 圆锥截面和反射面天线系统及其相关光学分类12.4节讨论各种类型反射面天线的馈源和相 应的设计原理12.5节论述反射面天线的分析和综合方法，并介绍了相关的设计软件包最 后，12.6节简要概述天线机械设计的问题和相关的考虑 12.2 基本原理和参数 基本上反射面天线的工作原理与光学原理类似接收状态下，反射面有如透镜聚光一样 把能量聚集在焦点发射状态下，增益较低的馈源发射波束较宽的球面波，经反射面反射后 形成平面波从而得波束较窄、增益较高的波束天线由于具有互易性，讨论的论据既可是发射 的也可是接收的这就意味着可以用孔径天线基本原理，预计无源天线的发射和接收性能参 数，如方向图、增益、损耗等本节通过一个典型实例，说明反射面天线设计的基本原理 考虑圆孔径抛物面天线的例子，在位于中心的焦点用喇叭馈电这种简单的反射面形状 由下式确定 X2+y2f z=一一一一一f02.1) 4/ 式中，/是焦距，顶点位于z=τf处所得天线波束指向z轴正方向对于直径为D的圆反射 面天线，其边缘是一个圆，而边缘尺寸由下式确定。

牛马ge子(ω 反射面天线如图12.1所示 x 20 15 10 D 5 10 15 20 图12.1x-z平面中的抛物反射面 第12章反射面天线 人们经常关注的是反射面天线上任一点与z轴之间的夹角α，由下式确定 因而，圆反射面边缘与z轴的夹角为 α= 2arctan豆豆 21 ι一=2arctan立 即〓41 另外一个有用参数是焦点与反射面上任意一点的距离r r-f+x2+y2 _. ----- 41 费J佳醺量与摸羁 .447. 02.3 ) ( 12.4) 02.5 ) 反射面天线最重要的参数之一是孔径增益用孔径面积A作为天线基本增益的极限来描 述反射面天线增益是合适的，当孔径天线电尺寸足够大(约25个平方波长或更大)时，这 个极限就是所谓孔径增益Gap G~~ = 41t兰 一 叩λ2 式中，λ是波长对于直径为D的困孔径反射面天线，孔径增益可写成 马=(子J 02.6) 02.7) 实际上，反射面天线增益有时说成是孔径增益减去各种孔径辐射损耗，如溢出损失、锥 削效率、馈源遮挡、反射面泄漏、表面变形、支架遮挡、馈源组合损耗等这些损耗因素将 在本节末详细论述 在翩桩踵插翻横蹦蹦蘸 方向性增益或方向性系数是峰值功率与各向同性辐射器辐射的平均功率之比。

各向同性 辐射器就是在所有方向上辐射能量都相等的辐射器方向性增益只考虑辐射功率，而天线的 各种损耗如馈源失配、馈源损耗、波导和或电缆损耗等也必须加以考虑，雷达工程师在设计 雷达时通常将这些损耗分别列出以便在其他雷达的计算中使用得到天线方向性系数要进行 大量的体积分运算，而反射面天线的方向图计算程序通常只用方向性系数描述方向图，而天 线的损耗则分别考虑下文中提到的反射面天线方向性是用各种辐射损耗和可实现的“孔径 增益“来描述的这种方法对雷达工程师比较直观 在程提娃辈革菇黯 反射面孔径场分析方法基于射线追踪原理，特别适用于对称、中心馈电的抛物反射面 假设位于焦点的馈源辐射的是球面波并相干地反射，利用这种方法在zO的x-y平面内计算 孔径场分布(见图12.1)然后用该孔径场分布计算远场辐射方向图但是，对于一些几何 结构复杂的反射面(如偏馈反射面)，这种方法就不如在12.4节中介绍的更严格的物理光学 法(PO)准确 对于图12.1中的中心焦点馈电的简单例子，比较简单的孔径场分析法是精确的且直接了 .448. 雷达手册(第三版) 当，也容易进一步讨论辐射损耗采用孔径场分析法，由馈源和空间衰减，容易得出孔面上 x-y格点处的场强幅度分布函数Fgrid 1 F;~eed(x，y，z) F驯ix，y)= Freed(X，y，z)一~feed V.'-“'~I C12.8) r “X2+y2 ._---- 4/ 2 式中，Ffeed是馈源的辐射方向图。

该例中，由于馈源位于抛物面的焦点，因此电磁波从馈源 出发经反射面反射后，到达孔径面的距离相同该式惊人地简单，并且可准确地计算馈源与 反射面间的转换和面积投影[1，2) 所得孔径场分布F♂d经空间变换后就可以得到远场方向图F(句: F(古)=2:F卢(x，y)ej于仲府手 C12.9) x,y 式中，台是指定方向上的单位矢量注意，式C12.9)是一个三维空间的简单叠加，类似于 计算阵列天线方向图的相加方法 攘攘萤事 设计天线时，采用孔径锥削分布来降低副瓣这样会使增益略微下降，波束变宽但为 了获得想要的低副瓣，人们通常愿意付出这些代价锥削分布导致的增益损失可用锥削效率 来表示但是锥削分布所引起的损失与欧姆损耗不同，能量并没有消耗掉而是重新分布用 喇叭馈电时，锥削分布由喇叭的方向图、喇叭至反射面的距离及峰值辐射方向上的技影面积 决定对于径向对称的馈源辐射场和反射面，馈源的辐射场也是径向对称的，即 F酬y)= g(r) ，效率η为 r|Ig(r)2πr叫 - Ig2(r)2πrdr I2πrdr C12.10) 溢出损失是指馈源辐射的能量在反射面边缘泄漏或者溢出在雷达反射面夭线设计过程 中，人们通常调整边缘照射电平来获得所需要的锥削分布和副瓣电平，这就导致了少量溢出 损失。

溢出损失是馈源辐射越过反射面边缘的辐射能量损失，用下式计算 「照射在反射面上的能量「 溢出损失=馈源总幅射能量川一02.11) L 馈源总辐射能量J 当馈源和反射面径向对称时，计算是容易的 天线的边缘绕射及由此产生的背瓣与馈源溢出的能量和边缘锥削度有关对于任意给定 的反射面天线，反射面边缘的照射会因绕射而在其背部产生辐射这种产生反射面背瓣的绕 射可以想象成是反射面边缘的再辐射引起的反射面后面的波瓣对于图12.2所示的中心馈电 的反射面天线，其主背瓣是由边缘绕射电流辐射相干相加引起的人们常用天线的主波束增 益与背瓣的增益之比即前后比FIB表示背瓣电平的大小Knop对一些常见反射面天线的边缘 绕射效应和前后比FIB进行了分析[3) 第12章反射面天线.449. 穰黯酷!4~$J 许多反射面天线系统都受到馈源和/或其支架某种程 度的遮挡对于中心馈电的反射面天线，由于馈源位于 反射面可视区域，必然会产生遮挡馈源遮挡会导致副 瓣电平抬高，抬高的程度取决于遮挡面积的大小遮挡 还会导致增益损失，其损失大小由遮挡部分的电场强度 与主电场强度之比Eb/Em来决定，而这又由遮挡的能量 与主反射面天线总能量之比~/凡和遮挡物的增益与主 反射面天线增益之比Gb/Gm共同决定，如下式所示。

[::J一月ο 二j)丁寸02口 E 反射面天线的锥削分布常用径向幅度分布来近似表示[4] g(r)=I-r2 02.13) 式中r是以反射面天线半径归一化后的距离，g(r)在边缘降为零用该锥削分布，遮挡损 失表示式可简化为 \\溢出区 绕射区\\ / / / / 图12.2溢出损失的示意图 乓g2(0)!2时时 凡!g2(r)加世成 Gb 一 D; GmηD; 式中，η是式(12.10)确定的效率文献[5]中，可以找到利用式(12.14)和式02.13)得 到的简单的遮挡损失表达式 ( 12.14) 旦一2!:.主 Em D~ 遮档损失十一百=[1号J 式中，Db和Dm分别是遮挡直径和反射面天线直径 产生遮挡的馈源喇叭有效尺寸并不4定等于它的实际物理尺寸如果喇叭外壁没有锥削 (见图12.。