4第三章(雷达天线建模仿真)

雷达信号处理国防科技重点实验室雷达系统仿真与性能评估张娟[e-mail]88202580雷达信号处理国防科技重点实验室22011/12/20教材：《RadarSystemsAnalysisandDesignUsingMATLAB》雷达信号处理国防科技重点实验室32011/12/20第一章：系统仿真技术第二章：雷达发射机建模与仿真第三章：雷达天线建模与仿真第四章：雷达接收机建模与仿真第五章：雷达回波建模与仿真第六章：雷达信号处理建模与仿真第七章：雷达数据处理建模与仿真第八章：雷达系统建模与性能评估本课程内容安排雷达信号处理国防科技重点实验室42011/12/20雷达发射机收发转换开关天线发射的电磁波接收的电磁波目标雷达接收机信号处理机数据处理机终端显示雷达天线的作用：发射信号；接收信号；测量目标空间角度。雷达信号处理国防科技重点实验室52011/12/20第三章：雷达天线建模与仿真1.1雷达天线的原理1.2机械扫描天线1.4波束形成1.3相位扫描天线雷达信号处理国防科技重点实验室62011/12/201.1雷达天线的基本原理天线的方向性增益、功率增益G和有效孔径Ae是描述天线特性的三个指标。天线增益：天线将发射信号能量朝某一方向集中的能力。雷达辐射出去的信号能量在空间的电场强度分布用表示，称为天线强度方向图。称为天线功率辐射方向图。雷达信号处理国防科技重点实验室72011/12/20天线的方向性定义为最大辐射强度平均辐射强度雷达信号处理国防科技重点实验室82011/12/20天线方位角半功率波束宽度天线俯仰角半功率波束宽度近似为雷达信号处理国防科技重点实验室92011/12/20天线的辐射效率因子‹天线的功率增益‹天线的有效孔径天线的物理孔径雷达信号处理国防科技重点实验室102011/12/20因此，可以推导，天线波束在某个角度的截面等于天线波束宽度与天线的有效面积成反比，减小，天线波束宽度增大。雷达信号处理国防科技重点实验室112011/12/20对于空间监视雷达来说，对某个空域所需要的观测的波束数量为当监测区域V为整个半球面时雷达信号处理国防科技重点实验室122011/12/20根据所观测的辐射电场距离天线口径的距离不同，可将电磁空间分为三个不同的区域：‹近场区‹菲涅尔（Fresnel）区‹远场区¾在近场区和Fresnel区，天线辐射的电磁波具有球面波前（又称等相位波前）；¾在远场区，可近似认为电磁波为平面波。¾一般来说，大多数的雷达系统都工作在远场区。近场和远场雷达信号处理国防科技重点实验室132011/12/20球面波与近似平面波在接收天线处的相位差可以表示为距离的形式：雷达信号处理国防科技重点实验室142011/12/20判为远场的条件远场条件与天线尺寸和电磁波波长有关。雷达信号处理国防科技重点实验室152011/12/201.2机械扫描天线利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现的波束扫描称为机械扫描。优点：简单；缺点：机械运动惯性大，扫描速度不高。随着高机动、快速目标、洲际导弹、人造卫星等的出现，要求雷达采用高增益极窄波束，因此，天线口径面往往做的非常庞大，再加上波束扫描的速度很高，机械扫描无法满足需求，必须采用电扫描。雷达信号处理国防科技重点实验室162011/12/200.5θ0θ0.5()cos()cos()2Fnθθπθθ≈≈0.52()nradπθ=22220.5()exp()exp(1.4)Faθθθθ≈−≈−220.51.4aθ=00sin()()sin(2/)2/bFbθθθπθθπθθ≈≈02bπθ=近似函数数学表达式表示系数余弦函数高斯函数辛克函数雷达信号处理国防科技重点实验室172011/12/20222200222200sin(2)(,)(,)2rrFGfGθψπθψθψθψθψπθψ+=⋅=+(,)fθψ()θ方位角度()ψ俯仰角度雷达信号处理国防科技重点实验室182011/12/201.3相位扫描天线电扫描方式包括：相位扫描、频率扫描、和时间延迟方法。相位扫描方法一般在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改变各个阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。阵列天线：由两个或多个小的辐射单元构成的阵列。小的辐射单元可以是偶极子、波导裂缝、圆盘反射器等。雷达信号处理国防科技重点实验室192011/12/201.3.1均匀线阵天线右图为N个阵元构成的一维直线移相器天线阵，阵元间距为d，各个阵元等幅同向馈电，对应的移相器的相移量为：0,,2,,(1)Nϕϕϕ−雷达信号处理国防科技重点实验室202011/12/20以#1阵元作为阵列的相位参考点，对于电场空间远场偏离阵列法线的某个观测点来说，其合成场强为：211(sin)00()2sin((sin))122exp((sin))122sin((sin))2NNjkdkkkEEEeNdNEjddπβϕλβπβϕπλβϕπλβϕλ−−−====−−=−−∑∑β由波程差引起的相对参考阵元的相位引前相邻阵元激励电流相位差雷达信号处理国防科技重点实验室212011/12/202sindπϕβλ=当时，各个分量同向相加，场强幅值最大。归一化方向性函数为：max2sinsin[()]()12()12sin()sin[()]2NdEFdENπβϕβλβπββϕλ−==−雷达信号处理国防科技重点实验室222011/12/2002sindπϕθλ=0ϕ=0β=时，即各阵元等幅同向馈电时，方向图最大值在阵列法线方向（）。0ϕ≠最大值方向（波束指向）发生偏移。波束指向雷达信号处理国防科技重点实验室232011/12/20归一化的阵列功率方向图为：0(sinsin)0,,Ndnπβθππλ−=±±00sin[(sinsin)]1()sin[(sinsin)]NdFdNπβθλβπβθλ−=−0(sinsin)0,,dnπβθππλ−=±±时，分子为0，若分母不为0，则方向图为0；当分子分母同为0时，则方向图为1；雷达信号处理国防科技重点实验室242011/12/200(sinsin)0dπβθλ−=对应的峰值为主瓣，其余称为栅瓣，栅瓣会产生角度模糊（多值性）。0(sinsin)dπβθπλ−为了避免出现栅瓣雷达信号处理国防科技重点实验室252011/12/20波束宽度零功率波束宽度：两零点之间的角度间隔。半功率波束宽度：两半功率点之间（幅度为0.707）的角度间隔。0(sinsin)0.443Ndπβθπλ−=0.5000.88650.8()()coscosoradNdNdλθθθ==阵元数阵元间距波束指向波长雷达信号处理国防科技重点实验室262011/12/20雷达信号处理国防科技重点实验室272011/12/20雷达信号处理国防科技重点实验室282011/12/201.3.2矩形面阵天线平面相控阵雷达天线的方向图函数可以看成两个线阵方向图的乘积。一部分是水平方向线阵的方向图，一部分是垂直方向线阵的方向图。雷达信号处理国防科技重点实验室292011/12/20雷达信号处理国防科技重点实验室302011/12/201100(,)exp[(cossin)]exp[(sin)]MNzyikFjidrjkdrθϕϕθαϕβ−−===−−∑∑sin(cossin)sin(sin)22(,)(cossin)(sin)22zyzyNMdrdrFNNdrdrϕθαϕβθϕϕθαϕβ−−=⋅−−2zzdrdπλ=2yydrdπλ=00cossinzdrαϕθ=20sindrβϕ=波束最大值指向水平和垂直方向阵元个数水平和垂直方向的阵元间距雷达信号处理国防科技重点实验室312011/12/20天线扫描范围-60度~60度，波束指向为（4.5度，4.5度），阵元间距半波长，12*12雷达信号处理国防科技重点实验室322011/12/20雷达信号处理国防科技重点实验室332011/12/201.3.3阵列加权为了降低天线方向图的旁瓣电平，可以对阵列进行加权，如切比雪夫窗、汉明窗等。加权能够降低天线副瓣，但会造成天线主瓣展宽。等间距和等幅馈电的天线副瓣电平较大（-13dB）,为了降低副瓣电平，可以采用“加权”的方法。‹振幅加权：馈给中间阵元的功率大些，馈给周围阵元的功率小些。雷达信号处理国防科技重点实验室342011/12/20‹密度加权：使得天线阵中心处的阵元数目多些，周围的阵元数目少些。雷达信号处理国防科技重点实验室352011/12/201.4波束形成[]()()01121sin/2sin/1TNjNdjdxxxAeeAπβλπβλβ−−−−=⎡⎤=⎣⎦=xs不采用移相的方法，直接对每个阵元的接收数据进行加权，来实现阵列的导向。阵列在某个固定时间的快拍可表示为：T=Wx雷达信号处理国防科技重点实验室362011/12/20()()00*21sin/2sin/01jNdjdeeπβλπβλβ∗−−−⎡⎤==⎣⎦Ws0β假定阵列导向的方向为雷达信号处理国防科技重点实验室372011/12/20雷达信号处理国防科技重点实验室382011/12/201.4小结‹天线的基本概念‹机械扫描天线‹相扫天线‹波束形成