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相控阵天线的基本原理简介

相控阵天线的基本原理简介

相控阵天线是从阵列天线发展起来的,主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描,亦称电子扫描阵列(ESA)天线。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。

 

在每个天线单元后端都设置有移相器,用来改变单元之间信号的相位关系,信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。

 

线性相控阵天线扫描原理

 

线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型,线性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。

 

垂射阵列***辐射方向垂直于阵列轴向,天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反,端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。通过改变阵内相邻单元之间的阵内相移值即可改变天线波束***值指向。

 

 

平面相控阵天线扫描原理

 

平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上,天线波束在方位与仰角两个方向上均可以进行相控扫描的阵列天线。

 

平面相控阵天线单元的排列方式主要有两种:矩形格阵排列和三角形格阵排列,后者可以看成是由两个单元间距较大的按照矩形格阵排列的平面相控阵天线所构成。

 

相控阵天线的基本构成

 

相控阵天线在电路设计、结构形式和微波元件及控制方法等方面千差万别。通常情况下,相控阵天线是由天线阵面、移相器、馈线网络以及相应的控制电路等几部分组成。

 

如果相控阵天线的馈电网络中不含有源电路,则为无源相控阵天线。如果天线的各个单元通道中都含有源器件,例如信号功率放大器、低噪声放大器、混频器等,则称此天线为有源相控阵天线。

 

天线阵面

 

相控阵天线阵面通常是由几百个到几万个不等的通过相位进行控制的通道激励辐射单元构成。这些辐射单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。

 

当这些辐射单元分布于平面上,称为平面相控阵天线;分布于曲面上,称为曲面相控阵天线;如果该曲面与雷达安装平台外形相一致,则成为共形相控阵天线。

 

馈线网络

 

相控阵天线是一个多通道系统,一般均包含大量天线单元,在发射机、接收机与天线阵各单元之间必须有一个多路馈线网络。

 

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。

 

移相器

 

各种不同类型的移相器是相控阵天线馈线网络实现馈相的关键器件,对它的要求是:移相的数值***、性能稳定;宽频带、大功率容量;便于快速控制等。 

 

移相器主要分为以采用压控变容二极管的场效应晶体管(FET)模拟型移相器和以采用PIN二极管作开关器件的通过式数字型移相器两大类。

 

天线方向图

 

完整的方向图是一个三维的空间图形,它是以天线相位中心为球心(坐标原点),在半径足够大的球面上,逐点测定其辐射特性绘制而成。测量场强振幅,就得到场强方向图;测量功率,就得到功率方向图;测量极化,就得到极化方向图;测量相位,就得到相位方向图。

 

在实际中,一般只需测得水平面和垂直面(即XY平面和XZ平面)的方向图即可。天线方向图是衡量天线性能的重要图形,可以从天线方向图中观察到天线的各项参数,主要包括:主瓣宽度,旁瓣电平,前后比,方向系数等。

 


 

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