雷达导论PART-III.4 2020-04-18

今天进入第三篇第10章-电子扫描阵列设计，接着讲相控阵。

本章目录如下。

10. 电子扫描阵列设计

10.1无源和有源ESAs共同的注意事项

10.1.1避免栅瓣

10.1.2消除布拉格波瓣

10.1.3阵元布局的选择

10.2无源ESAs的设计

10.2.1移相器的选择

10.2.2馈电方式的选择

10.2.3传输线的选择

10.3有源ESAs的设计

10.3.1芯片组

10.3.2功率输出

10.3.3发射机噪声限制

10.3.4接收机噪声系数

10.3.5相位和幅度控制

10.3.6相控阵的实体设计

10.4总结

 

本章首先引出栅瓣的概念。阵列天线才会产生栅瓣，他是多个辐射元波束合成的结果，而前面文章提到的旁瓣是单个辐射元就会有，但是比较弱。光靠文字不太好理解栅瓣，这里附上一张图，图片来自https:// blog.csdn.net/qq_44711773/article/details/103895276，一目了然。

图中，馈源A和馈源B的间隔很大，栅瓣与主瓣的夹角很小。栅瓣的幅值和主瓣是一样的，能量很强，如果出现会造成很大的干扰。如何消除栅瓣呢，还是看上图，将AB之间的间距减小的一个波长范围内就不会产生了。但是我们知道ESA雷达波束是要扫描的，波束不可能一直指向正中间，如下图，这样问题就会更复杂。

如何不让栅瓣进入雷达观察范围呢。对于线阵来说，也就是一维扫描，这里直接给出一个公式，具体推导过程看书。这个公式很好用。

如果要求扫描范围为-60°～60°，即scan角为60°，按照上式，阵元间距需小于0.54倍的波长。

接下来我们分别看看无源相控阵和有源相控阵的设计包含哪些内容，注意不是相控阵雷达，只是相控阵的设计，不知道怎么区分的见上一篇文章的图9-3和图9-4。

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我们先来看无源相控阵的设计。在无源相控阵的设计中，主要关心三个方面：移相器、馈电类型、传输方式。

移相器占了相控阵成本的大头。下图就是移相器的真容了，主要是材料和工艺，这块本人不擅长，我们一般拿来直接用，就不多说了。

接下来是馈电类型的设计。先解释下什么叫馈电。通过发射机输出端将信号送至天线阵面中各个辐射单元，或将天线阵面中各个辐射单元接收到的信号送至接收机输入端的过程，称为馈电。而将为阵列中各个天线单元通道提供实现波束扫描或改变波束形状所要求的相位分布称为馈相。

馈电类型分为两种，强迫馈电与空间馈电。强迫馈电又分为行波馈电和联合馈电。我们先看看空间馈电，看下图一目了然。

空馈成本较低，设计简单，没有传输线的损耗。但是不可避免的会泄露能量，所以天线的增益会下降。并且一般体积庞大，不适合弹载、机载雷达。

强馈的馈源和天线阵元直接是通过传输线连接的，传输线中传输的不是电信号，而是电磁波。下图是两种强馈方式，简单理解就是一个串行一个并行。

最后是传输方式的选择，可以理解为传输线材质的选择。看看是选择微带线还空心金属波导。

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我们再来看有源相控阵的设计。有源相控阵的设计集中在T/R组件上。随着集成电路技术的发展，T/R组件越做越小，如果不是因为MMIC功率很大，现在恐怕已经都放到一个芯片里了。

目前主流的T/R由3个MMIC，一个VLSI构成。很多MMIC的主要材质是砷化镓（GaAs），但是其热传导很低。未来氮化镓（GeN）和锗化硅（SiGe）将替代砷化镓。这两种材料的能量转化效率更高，散热更好。锗化硅（SiGe）比较便宜，性能略逊色于氮化镓（GeN）。

下面看一下有源相控阵的三种结构。第一种是stick结构（翻译为条状结构或者黏性结构），见下图。

第二种是瓦片式结构，这种结构用的比较多，见下图。

第三种是子阵列架构，见下图。这种架构与数字波束形成技术结合，逐渐成为主流有源相控阵结构。

在这种架构的基础上，形成了一种新体制雷达——数字阵列雷达。

本期内容到此结束，后面有机会再深入讲相控阵雷达。

 

好了，本章的扩展阅读和问题如下：

 

1. 应如何处理元件间距以避免栅瓣?

答：小于半个波长。具体间距根据上文中的公式计算。

 

2. 为什么设计师要用三角形点阵呢?

答：使用三角形点阵，阵元的数量可以减14%。但是代价是旁瓣和RCS。

 

3. 为什么固态移相器不用于无源ESAs？

答：固态移相器主要用于有源相控阵，无源相控阵由于其功率处理方式和损耗的要求，无法使用固态移相器。

 

4. 你正在设计一个必须电子扫描到45°的阵列。能避开栅瓣的最大阵元间距是多少(相对于波长)?

答：代入下式可得，最大间距为0.586倍的波长。