雷达导论PART III.2 2020-03-27

今天开始第三篇第8章-指向性和天线波束。

本章目录如下。

8. 指向性和天线波束

8.1辐射能量的角度分布

8.2辐射图特征

8.2.1波束宽度

8.2.2天线增益

8.2.3旁瓣

8.2.4减少旁瓣

8.3 电波束扫描

8.4角分辨率

8.5角度测量

8.5.1波瓣扫描

8.5.2单脉冲

8.6用于地面测绘的天线波束

8.7总结

如果你能看到雷达发出的波的话，它的形状大致是这样的：

 

沿发射中轴线横切，刨面长这样：

中间这条大的是我们想要的雷达波，旁边长的像花瓣一样的波，我们把它叫旁瓣，是不是很直接。。为什么波是一瓣一瓣的呢？这里放两张图，随着θ的变化,向量的和的幅值呈辛克函数变化。

将主瓣单独摘出来，引出一个重要的概念——3dB波束宽度。注意3dB波束宽度它是个角度哈，它又叫半功率角，单位是弧度。定义如图8-11。

我感觉图8-11画的不够明确，再给大家放张图，这个是扇形波束的。

主瓣张角：

如果是线阵天线或者矩阵天线，3dB波束宽度为：

如果是均匀辐射的圆形阵天线，3dB波束宽度为：

如果天线使用锥状辐射抑制了旁瓣，则

 

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接着引入电扫雷达，也就是相控阵雷达的概念，相控阵雷达的原理和图8-6中的原理是一样的，每个辐射单元的相位可调整，通过调整每个辐射单元的相位使空间中某个方向的相位一致，得到最大增益，从而实现波束角度的调整。相控阵雷达比机扫雷达的优点多很多，大家可以自行百度。这里说下相控阵不如机扫雷达的一个地方，如下图所示。

上面的是相控阵天线，下面的是机扫天线，可以明显的看出当θ角过大时，相控阵天线的增益明显小于机扫天线。一半来说，平面阵的扫描角度范围不超过-60～60°，共性阵可以大一些，我知道的能达到-150～150°。

 

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对雷达波的扫描范围来一个直观的认识，假设波束宽度是3°，这是一个比较窄的波束了，当目标距离为50公里时，雷达波顺时的照射范围是多大。我们来算一下。

把R=50km代入可得，L=2.61km，所以对于军用雷达来说，绝大部分目标都是点目标。如果是车载雷达，目标距离为50米时，L=2.61m，勉强能区分出车辆。这里有一点要注意，在进行雷达系统设计的时候，目标一定要位于图8-11中-3dB线的左侧。

图8-22中，雷达波从左往右扫描，左侧雷达波束比较窄时，A和B不会同时处于雷达波的照射中，可以容易的区分出是两个目标，右侧雷达波束变宽，A、B同时处于雷达波的照射中就不好区分了。

图8-25中，雷达波束宽度不变，目标a和b的距离逐渐增大，当a和b间隔1.5倍，3dB波束宽度时，目标a和b可以区分开来，所以雷达的角分辨率可以用3dB波束宽度来衡量。当然随着技术的进步，雷达现在的角分辨率肯定小于3dB波束宽度。

 

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最后讲一下角跟踪的方法。这里大家可能会疑惑怎么会有跟踪的概念呢？雷达跟踪目标是怎么回事呢，和导弹跟踪目标是一回事吗？

雷达跟踪—使雷达波束的中心始终照射于目标，随目标的移动来改变波束的照射角度。所以雷达跟踪是雷达寻的制导武器实现跟踪的前提，特别是末制导的时候。当然，有很多雷达是不具备跟踪功能的，比如地基的搜索雷达，它就一直在哪里匀速的扫。这种早期的扫描式雷达的测角精度就真的受限于3dB波束宽度了。雷达在进入跟踪阶段之前还有两个阶段，分别是扫描和截获阶段。雷达先按照一定的规律大范围扫描，扫到目标后进行确认，最后转入跟踪阶段。雷达能持续跟踪目标靠的就是角跟踪。在角跟踪阶段，测角精度很高。

角跟踪的原理简单来说，就如图8-26，当目标处于瞄准线（bore sight line）时，误差为0，当偏离以后误差不为0，根据误差值的大小和正负调整波束指向就可实现角跟踪。注意波瓣的相交点位于-3dB线。

单脉冲角跟踪就是一种角误差回路跟踪系统。早期雷达角跟踪使用顺序波瓣法或者是圆锥扫描法，目前极少用了，用的最多的是单脉冲测角法。所以这里就只讲单脉冲测角。那什么是单脉冲测角呢？

单脉冲测角是指雷达在一个脉冲周期内就将目标的角度测算出来。这个是相对于早期的顺序波瓣法和圆锥扫描法来说的，早期的雷达要很多个脉冲周期才能将目标角度测出。

单脉冲测角又分为比幅单脉冲和比相单脉冲，比幅单脉冲同时发射4束波，比相单脉冲需要至少具有两个接收单元。具体的原理请参考陈伯孝老师的《现代雷达系统分析与设计》的351-359页。这里我就不多赘言了，《机载雷达导论》关于这部分内容也讲的比较粗略。

 

好了，本章的扩展阅读和问题如下：

 

1. 一种频率为10GHz的圆形天线，其直径为0.6m，增益34dBi。它的孔径效率η是多少?

答：增益G=10^(3.4)=2512，根据公式

A为天线面积，可计算得到η=63.6%。

2. 直径0.6米，频率分别为(a)(b)(c)的均匀照明圆形天线的3dB波束宽度是多少?  (a)3GHz; (b)10GHz; (c)30GHz

答：代入公式：

3dB波束宽度分别为：0.17rad、0.051rad、0.017rad。

3.如果辐射是锥形的，问题2中相应的3dB波束宽度是多少?

答：代入公式：

3dB波束宽度分别为：0.208rad、0.0625rad、0.021rad。

 

这章内容很多，需要大家慢慢消化，我们下期再见。