电子对抗原理-6-电扫描雷达

1第六章：电扫描雷达6.1概述6.2相控阵雷达6.3有源相控阵雷达6.4移相器6.5频率扫描雷达6.6数字波束形成（DBF）26.1概述机械扫描：雷达在搜索目标时，需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是机械转动天线，使波束扫过一定的空域、地面或海面。机械扫描存在什么问题？如何解决？电扫描：利用电磁波的相干原理，通过控制天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向，同样可进行扫描。3相控阵天线“相控阵”即“相位控制阵列”，通过控制相对相位，就可以控制辐射的方向；相控阵天线由许多辐射天线或单元按一定结构排列而成，其方向图的形状和指向由各单元上电流的相位和幅度决定；辐射单元可以是偶极子、开口波导或任何其它类型的天线（微带天线、八木天线等）4电扫描雷达的特点电扫描雷达主要形式：相位扫描雷达频率扫描雷达数字波束形成（DBF）与机械扫描雷达相比，电扫描雷达天线无需机械转动即可实现对多目标的同时搜索和跟踪波束扫描灵活、快捷，多目标跟踪能力强抗干扰能力强56.2相控阵雷达相控阵天线由许多辐射元组成，各单元之间以一定的距离分开。通过对馈到各阵元上的信号的幅度和相位进行控制，使各单元作用的总和构成希望的方向图；阵列天线常用的两种形式是线阵列和面阵列（平面、曲面）。6线阵列天线示意图6.2.1相控阵基本原理7在与天线阵法线夹角为的方向上，两个阵元之间由波程差引起的相位差为sin2dmax1sin()d为最大单边角度扫描范围max8N个阵元在θ方向远区辐射场的矢量和为()eE2ksin110E()()()()()dNNjkeekokeaEeEeEE＝为单个阵元的方向性系数为阵列的方向性系数()aE9利用等比级数求和公式及欧拉公式求和得12222222sin()1()2()1sin()2NNNjjjjNNjajjjjNeeeeEeeeee10将上式取绝对值并归一化，得阵列的方向函数为()()()eaFFFmaxsin(sin)()()()()sin(sin)aaaNdEEFdENEN考虑阵元的方向性式中称为阵元因子()eF11阵列天线方向图12归一化辛格函数曲线副瓣太高，有什么坏处？如何降副瓣？13相位扫描原理示意图14偏离法线时的方向性函数为00sin(sinsin)()sin(sinsin)NdFdNsin(sin)()sin(sin)aNdFdN法线方向波束指向015由方向函数可得到以下几点结论：在扫描平面内，随扫描波束离开法线方向，半功率主瓣宽度将变宽，波瓣宽度近似与成正比；天线增益随的增大而减小。1/cos()oo180200220240260280300320340360-60-50-40-30-20-100674MHzDBF方位码(度)归一化增益(dB)法线方向正30度负30度16由方向函数可得到以下几点结论：栅瓣随单元间距和的增大而增大o180200220240260280300320340360-70-60-50-40-30-20-100674MHzDBF方位码(度)归一化增益(dB)法线方向正35度负35度180200220240260280300320340360-60-50-40-30-20-100X:246Y:-2.985674MHzDBF方位码(度)归一化增益(dB)X:257Y:-2.994X:325Y:-3.021X:333.6Y:-3法线方向正40度负40度17方向图和增益测试方法22D远场条件18方向图和增益测试方法微波暗室：紧缩场测试196.2.2相控阵雷达的基本结构按天线阵元是否有发射机，分成两种形式：1）无源相控阵列，整个天线共用一个发射机；2）有源相控阵列，每个（或一组）天线阵元共用一个发射机和接收机（T/R组件）。20一种无源相控阵雷达框图21无源相控阵天线22馈电网络可以是功率分配（合成）器（称之为强制馈电），也可以是喇叭和空气介质（称之为空间馈电）；馈电网络具有射频波束形成的功能以实现无源相控阵雷达的多波束（例如和波束、差波束）；由于这种相控阵雷达的天线面一般是由无源器件构成的，因此称为无源相控阵雷达。23今后雷达的发展趋势波束捷变，意味着电扫描自适应，趋向于数字设计低截获概率（LPI），对波形设计、天线设计均有严格要求抗干扰，意味着天线超低旁瓣，波束、频率、波形、PRT捷变，自适应信号处理高可靠性，固态发射机，有源阵有效成本，意味着组件可大批量生产246.3有源相控阵雷达无源相控阵雷达有什么不足？有源相控阵雷达是相对无源相控阵雷达而言的。特征是每一单元（或一组单元）接有一发射机/接收机前端（即T/R组件）。由于其天线阵包含了大量的有源部件，所以被称之为有源相控阵雷达。6.3.1概述25AN/APG-79有源相控阵雷达26子阵有源相控阵结构示意27有源相控阵天线286.3.2有源相控阵雷达的组成及特点29雷达发射、接收时T/R组件中的移相器相位不变。在发射方向上的目标回波信号经天线单元接收后，由T/R组件中的LNA放大并送子阵网络相加，相加后的多通道信号送波束形成网络，形成和信号、方位差信号、仰角差信号，经三通道接收机放大变换送信号处理机进行检测，然后将目标信息通过接口设备送计算机进行数据处理，形成目标轨迹在显示器上显示。雷达控制器根据雷达的功能和雷达目标环境自适应的控制雷达的工作方式（搜索和跟踪方式）和波束指向。30波束形成网络：模拟：简单可靠，但形成的波束固定，灵活性差，不容易实现多波束；DBF（数字波束形成）：复杂、受信号带宽限制，但形成的波束灵活可变，可自适应处理。31有源相控阵雷达的特点发射机效率高发射、接收插入损耗低，探测距离远可靠性高能兼容阵列信号处理更灵活的雷达资源管理但是：研制、调试复杂，成本高326.3.3有源相控阵雷达的关键部件——T/R组件收发开关移相器RF开关LNA限幅器极化开关功放监测开关极化控制监测开关幅/相控制器电源接收数控衰减器336.4移相器移相器应该能快速地改变相移根据使用材料可分为：铁氧体移相器、铁电陶瓷移相器、半导体二极管移相器、分子极化控制移相器等346.4.1数字开关式移相器改变相移量的最基本的方法是改变传输线的长度不同长度传输线间转接有两种基本形式：并联式级联式35带有N个转接线的数字开关并联式移相器36四比特数字开关级联式移相器37中电集团13所产品--集成数控移相器中心频率：30～120MHz带宽：中心频率×10%移相范围：0～360°8位数控，最小步进：1.4°最大输入功率Po10dBm插损≤3dB接口：SMA，SIP插针电源:+5V，±15V总电流:100mA386.4.2铁氧体移相器铁氧体是一种磁性元件，外加激励脉冲电流时，它的磁化状态改变，从而在高频电路中得到所需要的相移量。396.5频率扫描雷达通过改变雷达的工作频率来实现波束扫描不是靠移相器改变相位，而是通过延迟线来产生相位差的40串联馈电频扫线阵41平面阵频率扫描天线42相位—频率扫描阵列43思考题频率扫描的优点是什么？缺点是什么446.6数字波束形成（DBF）波束形成是指在特定的方向上形成主瓣波束，接收有用信号并且抑制来自其它方向的干扰信号波束形成方法：模拟方法，如射频或中频合成网络，形成多波束复杂数字方法（DBF），数字移相加权形成波束，可形成多波束（容易），可进行阵列信号处理45DBF系统的基本结构46DBF天线阵组成天线阵列接收模块A/D变换器数字波束形成器DBF阵组成接收机A/D采集板光纤光纤接收机光纤传输卡A/D采集板处理器（FPGA/GPU）终端47DBF天线阵通道效正接收通道校正：误差来源及校正2264.2025D定向耦合器腔体滤波器低噪放大40dB数控衰减放大器30dB滤波器定向耦合器腔体滤波器低噪放大40dB00功分器频率源检测信号第1路（省略）第2路（省略）第23路第24路数控衰减放大器30dB滤波器48DBF天线阵通道效正天线测试和校正：误差来源及校正远场条件2264.2025D22D051015-100-50050100150X:10Y:131.7天线单元相位残差天线单元相位残差(度)被测天线辐射源相位残差49DBF几个概念2exp((1)sin())1:jKdKMa方向的导向矢量方向的合成波束iiAixk分别为第i个通道的复相修正系数和数据1iMjiiiiykakAexk50DBF几个概念1iMjiiiiiykwakAexk方向的合成波束（加权）iw为加窗180200220240260280300320340360-70-60-50-40-30-20-100方位(度)幅度(dB)未加窗加窗后51DBF几个概念DBF和机械扫描的结合DBF和相控阵的结合-60-40-200204060-70-60-50-40-30-20-10能形成多少个波束？52DBF几个概念DBF天线测角：和差比幅测角，或相邻波束比幅测角53自适应波束形成（ADBF）ADBF的作用：SMI采样矩阵求逆SMI1MHiiiykwkxkwX1optxxwRa54-100-80-60-40-20020406080100-400-350-300-250-200-150-100-500dBSMI之前和波束X:50Y:-52.57SMI处理前和波束SMI处理后和波束-100-80-60-40-20020406080100-120-100-80-60-40-200X:50Y:-110.7dBSMI之后和波束55DBF雷达的特点自适应波束形成能产生密集多波束方便实施阵列单元方向图校准易实现自校准和超低旁瓣可获得超角分辨力便于进行灵活的时间管理适合于多站（基地）工作