经典雷达资料第章反射面天线.docVIP

第6章 反射面.2 基本原理和参量 本节简述天线的基本原理，着重介绍对雷达系统设计师有用的术语的定义。为了给雷达系统选择最佳类型的天线，系统设计师应该对将要选择的各种类型天线的基本性能特征有清楚的认识[1]，包括反射面天线（在本章讨论）和相控阵天线（在第7章讨论）之间的选择，还有用相控阵列馈电的反射面天线。 虽然本章着重讨论反射面天线，但是本节讨论的许多基本原理适用于所有的天线。对任何天线，必须考虑的三个基本参量包括： ( 增益（和有效孔径） ( 辐射方向图（包括波束宽度、副瓣） ( 阻抗（电压驻波比或VSWR） 其他的基本考虑还有互易性和极化，它们将在本节做简要介绍。 互易性 大多数雷达系统都采用一副天线，既用于发射，又用于接收，而且大部分这样的天线都是互易性设备，其含义是它们的性能参量（增益、方向图、阻抗）在两种工作方式下是一样的。这一互易性原理[2]允许天线既可以看成是发射设备，又可看成是接收设备，由具体讨论时哪个更方便而定。这也允许在任何一种工作方式下测试天线（参见6.10节）。 非互易雷达天线的例子是使用了非互易的铁氧体元件的相控阵天线，收发模块中含放大器的有源阵列天线和3D（距离、方位和仰角）雷达的测高天线。后者的代表是AN/TPS—43雷达[3]，它在接收时采用在仰角上堆积的几个交叠波束，在发射时采用一个宽仰角波束。在水平方向上波束都一样窄。必须分别测试这些非互易天线的发射特性和接收特性。 增益、方向性系数和有效孔径 术语天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。天线增益的两个不同却相关的定义是，方向增益和功率增益。前者通常称做方向性系数，后者常称为增益。清楚地理解两者之间的区别是非常重要的。 方向性系数（方向性增益）定义为最大辐射强度（每立体弧度内的瓦数）与平均辐射强度之比，即 （.1） （6.2） （6.3） （.4） .0 dB，则，即输入功率的79%被辐射。其余部分或21%，被转化为热能。对反射面天线，大部分的损耗都发生在连接到馈源的传输线上，并能够做到小于1 dB。 比较式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系数之间有如下的简单关系： （6.5）（=1.0, G=GD）， （6.6） Baz和Bel分别为主平面内的方位和俯仰半功率波束宽度（单位为(）。这一关系与方向性系数为46 dB的1(×1(笔形波束等价。由这一基本组合，其他天线的近似方向性系数可以很快求出，例如，与1(×2(波束对应的方向性系数是43 dB，因为波束宽度加倍对应的方向性系数下降3 dB。类似地，2(×2(波束对应40 dB，1(×10°波束对应36 dB的方向性系数，依次类推。将每次波束宽度的变化都转换成分贝，方向性系数也做相应的调整。但这一关系不适用于赋形（如余割平方）波束。 有效孔径 天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的。对面积为A，工作波长为(的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为 （6.7） .7）给出的要小，即 （6.8） e 是天线的有效孔径或捕获面积，等于几何孔径与一个小于1的因子(a（称为孔径效率）的乘积： （6.9） (a=0.5）的天线比均匀照射孔径的增益低3 dB，但并不是耗散了一半的功率。有效孔径表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益。有效孔径是一个面积，与入射功率密度相乘后可给出天线的接收功率： （） 6.1所示为典型的圆孔径天线的方向图，该图将等距离上的对数功率密度（垂直坐标用分贝计）与方位角和俯仰角的关系绘制在直角坐标系中。方向图的主瓣（或主波束）是笔形波束（圆截面），四周是较小的瓣，通常称为副瓣。角坐标的原点取在主瓣峰值方向，通常称为天线的电基准轴。 电基准轴可与天线的机械轴（即对称轴，有时称为视轴）重合，也可以不重合。若两者不重合（常常是无意的），其角度差称为视轴误差，在测量目标方向时必须考虑这种误差。 图6.1（a）所示为天线方向图的三维特