电子科技大学：《近代天线理论 Modern Antenna Theory》课程教学资源（课件讲稿）08 相控阵天线

相控阵天线 电子科技大学

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一 、概论 相控阵雷达：采用相控阵天线的雷达 。 电扫描阵列 快速变化的波束指向和波束形状 增加工作方式和雷达功能 巨大的自适应能力和新的工作潜力 相扫、频扫、开关、实时延迟 20世纪60年代无源相控阵雷达问世 20世纪80年代固态有源相控阵雷达 远距离，边扫描边跟踪 时间分割技术 多目标实时搜索、截获、引导、识别 少量阵元失效，仍能有效工作 自适应抑制干扰、频率捷变、极化捷变 相参诱饵、低截获概率

相控阵雷达：采用相控阵天线的雷达 • 电扫描阵列 • 快速变化的波束指向和波束形状 • 增加工作方式和雷达功能 • 巨大的自适应能力和新的工作潜力 一、概论 20世纪60年代 无源相控阵雷达问世 20世纪80年代 固态有源相控阵雷达 相扫、频扫、开关、实时延迟 远距离，边扫描边跟踪 时间分割技术 多目标实时搜索、截获、引导、识别 少量阵元失效，仍能有效工作 自适应抑制干扰、频率捷变、极化捷变 相参诱饵、低截获概率

二、组成 5大基本组成部分 T/R组件、阵列单元、馈电网络、移相器、波控机 AN/FPS-115“铺路爪”雷达 它是由两个平面阵组成，两个圆形无线阵面彼此成60度，每个阵面后领20 度，直径约30米，由2000个阵元组成，工作于P波段。扫描一次所需时间为 6秒，平均无故障工作时间可达450小时。用来探测弹道导弹，测试各个参 数，如速度、位置、发射和着落，点等，可以覆盖240°的方位角以及 3°~85°的高低仰角，探测距离一般为4800公里，对高弹道、雷达截面为 10平方米的潜射弹道导弹的探测距离可达5550公里

二、组成 T/R组件、阵列单元、馈电网络、移相器、波控机 它是由两个平面阵组成，两个圆形无线阵面彼此成60度，每个阵面后倾20 度，直径约30米，由2000个阵元组成，工作于P波段。扫描一次所需时间为 6秒，平均无故障工作时间可达450小时。用来探测弹道导弹，测试各个参 数，如速度、位置、发射和着落点等，可以覆盖240°的方位角以及 3°~85°的高低仰角，探测距离一般为4800公里，对高弹道、雷达截面为 10平方米的潜射弹道导弹的探测距离可达5550公里。 AN/FPS-115 “铺路爪” 雷达

*基本阵列理论 考虑一般或任意的阵元空间分布： 在远区场，任意第个单元的辐射场可以记作： E(ca,)=f0,例e P(X,Y,Z) 其中 (X1.Y1.Z ①(0，p)为矢量方向图函数 X

**基本阵列理论 考虑一般或任意的阵元空间分布： 在远区场，任意第i个单元的辐射场可以记作： ( , , ) ( , ) i jkR i i i e r R      E f  ( , ) f i   为矢量方向图函数 其中

R=(x-x,)2+(y-y)2+(z-2,)2]2 如果方向图在远场进行测量，根据与原点的距离关系，其中 的指数可以给予近似： R≈R-fr e-jkR e-ikR e际 R R ;：第个单元相对于原点的位置矢量 F：任意场点(R,日，Φ)的单位方向矢量 i=x,+y,+22 f=u++cosO

如果方向图在远场进行测量,根据与原点的距离R关系，其中 的指数可以给予近似： 2 2 2 1/ 2 [( ) ( ) ( ) ] R x x y y z z i i i i       ˆ R R i i  r r ˆ i i jkR jkR jk i e e e R R    r r i r ：第i个单元相对于原点的位置矢量 ˆ ˆ ˆ i i i i r x y z    x y z r ˆ ：任意场点(R,,)的单位方向矢量 r x y z ˆ    ˆ u v ˆ ˆ cos

其中 u=Sinθcosp,v=sinθsinp 远场条件： 2L2 10L2 R= or R= (当测量超低副瓣或零深时) λ 对于一任意阵列，通过线性叠加得到的辐射场为： Er)-eR∑f6eer 其中a:主要关联各单元的激励幅度 如果所有单元的方向图是一致的，则： E=.∑ae -jkR 可定义阵因子：F(0,p)=∑a,e:

2 2L R   远场条件: 2 10L R  or  (当测量超低副瓣或零深时) 对于一任意阵列，通过线性叠加得到的辐射场为: ˆ ( ) ( , ) i jkR jk i i i e a e R      r r E r f 如果所有单元的方向图是一致的，则： ˆ ( , ) i jkR jk i i e a e R      r r E f 其中ai主要关联各单元的激励幅度 可定义阵因子： ˆ ( , ) i jk i i F a e    r r 其中 u v   sin cos , sin sin    

通过应用以下形式的复权重a:可实现波束的扫描： a,=|la吲e,=4,+y,+元cos0 根据求和后的函数最值，这会将波束指向扫描至（旧。，φ）方向. 所需要的激励具有与频率呈线性的相位关系，这相当于插入了 时延.因此，方向图峰值对所有的频率都是稳定的. 更一般的，扫描信号是由移项器来控制的，这样最大指向就依 赖于频率。 a;a,e-lhr" 2元 k 即只能在特定的频率下满足

通过应用以下形式的复权重ai可实现波束的扫描: 0 ˆ i jk i i a a e   r r 0 0 0 0 r x y z ˆ    ˆ u v ˆ ˆ cos 根据求和后的函数最值，这会将波束指向扫描至(0,0)方向. 所需要的激励具有与频率呈线性的相位关系, 这相当于插入了 时延.因此，方向图峰值对所有的频率都是稳定的. 0 0ˆ i jk i i a a e   r r 更一般的,扫描信号是由移项器来控制的,这样最大指向就依 赖于频率. 0 0 2 k    即只能在特定的频率下满足

三、相控阵天线基本原理 一维阵列 至目标（观察点）方向 N-1 E(0)=>klcxpja).(0.)xj,)e W-1 n=0 n=%-dn·8 常数 单元方向图 空间坐标相关 激励 (空间相位和扩散)

三、相控阵天线基本原理 n n n N n n n n n e r j kr E k I j f ˆ exp( ˆ ) ( , ) exp( ) ( , ) 1 0           ↓ 常数 激励 单元方向图 空间坐标相关 （空间相位和扩散） 0 0 r r d r ˆ n n   

In=to-dn V- E(0,p=∑k1 explj(kd元+alf.(6,pe n=0 K-长ep-k6) 广n≈远场 E(0,p)=En(0,p)f(0,0) W-1 E,(0,p)=∑1 expLj(kd+a】 n=0 dn·ò=nd sin0 N- E,(0,p)=∑1 exp[(kndsin0+a,月 n=0

n N n n n n n n E( , ) k I exp[ j(k d rˆ )] f ( , )eˆ 1 0  0           0 0 r r d r ˆ n n            1 0 0 ( , ) exp[ ( ˆ )] ( , ) ( , ) ( , ) N n n n n n n E I j k d r E E f          0 0 exp( ) r r jkr r k k n n n n     远场      1 0 ( , ) exp[ ( sin )] N n n n n E   I j knd   dn r ˆ 0  nd sin 

sin[号(kd cosB+al 注意：其他表达 S(B)=1。 =10 sin-(kd cos B+a)】 sin() 最大波束指向： 前面已提到，均匀直线阵阵因子的最大值为： Sax=limS(w）=IoN →0 最大值出现在：1=2mπ，m=0,±1，±2， m=0时对应为主瓣，即u=kd cos B+a=0,此时，最大指向为 B.=arc cos(- kd 2 B+0=

注意:其他表达 2    