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相控阵雷达天线的工作原理及应用

作者：谢振武张劲栓

来源：《中国科技博览》2019年第03期

摘要[]本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的

工作原理，并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点。最后举例说明了相控阵雷达天

线的应用。

关键词[]相控阵；相位差；天线

中图分类号：TN958.92文献标识码：A文章编号：1009-914X（2019）03-0380-01

一、引言

相控阵雷达现已被人们视为现代科技的标志物。各国对此相当重视，将其列为机密科研项

目之一。但就是这样一个被视为现代科技的标志物的原理却不那么深奥，它仅仅是一个电磁波

发射和接受的装置。它所应用的高技术，始终是波产生和接收这两个环节展开的。传统雷达对

区域进行探测时是通过机械转动其天线，形成波来扫描，这种扫描的周期较长（几秒～几十

秒），且扫描速度慢，因而机械扫描无法实现对高速飞行物的跟踪探测。而相控阵雷达的天线

无物理运动，故其波束扫描的速度和方向均可以敏捷地调节。

二、相控阵雷达的工作原理

相控阵天线由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收

到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通

过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而

产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过

调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。

相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要

而不断地调整。相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线

阵。通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线

方向图最大值的指向，以达到波速扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值

位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这已

缺点，波速的扫描高。它的馈电相一般用电子计算机控制，相位变化速度快，即天线方向图最

大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。

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一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有

时几个辐射单元共用一个移相器。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分

连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数

字式移相器的移相值是离散的，只能是360×（1/2）^n的整数倍，移相器应保证在一定的频率

范围内获得所需要的移相值。天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输

入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副

瓣和方向图中出现凹点的现象。相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输

线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元。在空间馈电

方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵

接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射

单元并辐射出去。

相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束

宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由于单元方向图和阻

抗的限制，通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥，加上一个球罩透镜后也可得到半球扫

描。若仅要求方向图最大值在空间移动，只需要形成线性变化的相位分布。这时方向图的最大

值方向垂直于等相位面。在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣，其大小与具体的相位分布规

律有关。为了满足特殊要求，则需要采用方向图综合法，事先算出所需的阵面相位分布。为了

简化馈电结构，有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点，可采用

密度加权。雷达中使用相控阵天线后，波束控制灵活性显著提高，故可制成多功能雷达，使一

部雷达起几部常规雷达的作用。

三、相控阵雷达的应用优势

相控阵雷达已广泛应用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、炮位测量、靶场测量

等领