论文相控阵雷达天线的工作原理及应用

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1、精品范文模板 可修改删除撰写人：_日 期：_相控阵雷达天线的工作原理及其应用Xx（鲁东大学 物理学院 09级物理一班 2xxxxxxxxxxxx）摘要：本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的工作原理，并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点。最后举例说明了相控阵雷达天线的应用。关键词：相控阵；相位差；天线；PHased array radar antenna working principle and its applicatioLuHan (Lu dong university Physics institute 09 level physics cla

2、ss20092312579)Abstract: this paper applied the huygens - Fresnel principle and plane diffraction grating principles briefly analyzed the phased-array radar antenna working principle, and briefly explains the actual phased-array radar work principles and advantages. Finally, an example is given to il

3、lustrate the phased-array radar antenna applications.Keywords: phased array, Phase difference, Antenna,一、引言自20世纪30年代雷达问世以来，雷达技术获得了高速的发展。20世纪60年代，为适应对人造地球卫星及弹道导弹观测的要求，相控阵雷达技术获得了很大的发展。美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达，多用于弹道导弹防御系统，如美国的AN/FPS-46、AN/FPS-85、MAR、MSR，前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达，其共同点：采用固定式平面阵天线，天线体积大

4、、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型。【1】20世纪70年代，相控阵雷达得到了迅速发展，除美苏两国外，又有很多国家研制和装备了相控阵雷达，如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最为典型的有：美国的AN/TPN-25 、AN/TPQ-37和GE-592、英国的AR-3D、法国的AN/TPN-25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。【1】 20世纪80年代，相控阵雷达由于具有很多独特的优点，得到了更进一步的应用。在已装备和正在

5、研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达，它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而，大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究更上一层楼。【2】二、相控阵雷达的工作原理 相控阵雷达现已被人们视为现代科技的标志物。各国对此相当重视，将其列为机密科研项目之一。但就是这样一个被视为现代科技的标志物的原理却不那么深奥，它仅仅是一个电磁波发射和接受的装置。它所应用的高技术，始终是波产生和接收这两个环节展开的。传统雷达对区域进行探测时是通过机械转动其天线，形成波来扫描，这种扫描的周期较长（几秒几十秒

6、），且扫描速度慢，因而机械扫描无法实现对高速飞行物的跟踪探测。而相控阵雷达的天线无物理运动，故其波束扫描的速度和方向均可以敏捷地调节。下面我们以平面衍射光栅中光斜入射时的光栅方程为例来讨论相控阵雷达天线的扫描原理。在这里为了讨论问题的方便我们仅讨论入射光与衍射光在法线异侧的情况。如下图所示，斜入射时，相邻两缝的光束在入射前已有光程差，衍射后又有光程差，总光程差为： 入射角i和衍射角 的符号规定：均以 逆时针为正。 斜入射的光栅方程(明纹)为： 由斜入射的光栅方程知：j 确定时，调节 i ,则相应改变。 例如：；令j=0（零级）。则 相邻两束光入射的相位差为： 所以：由上式可知：改变 就能改变入

7、射角i ,从而改变光束的方向。此结论就是相控阵雷达扫描的基本原理。此时若能周期性的连续改变相邻辐射单元的相位差，则零级主级大的衍射角也会连续变化，从而实现真正意义上的扫描。靶目标反射的回波也可以通过同样的天线阵列接收；改变 就能接收来自不同方位的波束。然后用计算机处理，提供靶目标的多种信息大小，速度，方位【3】实际的相控阵雷达的天线阵列是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位关是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电子扫描，简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干

8、辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述，相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。 实际的相控阵雷达由发射系统、天线阵列和波控机、接收和信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等组成。与普通雷达相比，最根本的差别在于它靠控制阵列天线各辐射单元的相位来改变相位波前的倾角，以改变波束方向。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号，馈送到所有天线单元，以便向空中辐射。中心计算机计算出

9、规定波束指向的相邻单元的相位差，然后由波控机算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到该相位，从而使天线波束准确地指向规定的方向。波束跳跃的最大速度由计算机-波控机所需的计算时间和移相器-驱动器转换所需要的最少时间决定。形成波束的天线阵元数可以改变，因此波束形状可以控制。每个天线单元接收来自目标的回波信号，经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统。收发天线可以是分阵的，也可以是合阵的。由于波束运动无惯性，它在计算机控制下可以实现能量在空间与时间上的最佳分配。计算机在相控阵雷达中起关键作用，它控制整个雷达的工作并参与信号处理、数据处理、信息显示和雷达的自动化监测。因此要求

10、计算机灵活、运算速度高和容量大。三、相控阵雷达优点相控阵雷达之所以具有强大的生命力，因为它优胜于一般机械扫描雷达。它具有以下特点： （1）能对付多目标。相控阵雷达利用电子扫描的灵活性、快速性和按时分割原理或多波束，可实现边搜索边跟踪工作方式，与电子计算机相配合，能同时搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，并能同时制导多枚导弹攻击多个空中目标。因此，适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。 （2）功能多，机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束，分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能，一部相控阵雷达能起到多部专用雷达的作用，而且还远比它们能够

11、同时对付的目标多。因此，可大大减少武器系统的设备，从而提高系统的机动能力。 （3）反应时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间，具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式，使雷达与数字计算机结合起来，能大大提高自动化程度，简化了雷达操作，缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间，便于快速、准确地实施畦达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。 （4）抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率，并能合理地管理能量和控制主瓣增益，可以根据不同方向上

12、的需要分配不同的发射能量，易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰，有利于发现远离目标和小雷达反射面目标（如隐形飞机），还可提高抗反辐射导弹的能力。 （5）可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多，且并联使用，即使有少量组件失效，仍能正常工作，突然完全失效的可能性最小。 此外，随着固态器件的发展，相控阵雷达的固态器件越来越多，甚至已生产出全固态儿控阵雷达，如美国的。“爱国者”雷达，其天线的平均故障间隔时间高达15万小时，即使有10单元损坏也不会影响雷达的正常工作。 当然，相控阵雷达不是十全十美的，也有其缺点。主要是造价贵，典型的相控阵雷达比一般雷达的造价要高出若干倍。而且相控阵雷达的波束扫描范围有限，

13、最大扫描角为90120。当需要进行全方位监视时，需配置34个天线阵面。例如，美国装备的“铺路爪”相控阵预警雷达就有3个固定不动的大型天线面阵，可以对360度范围内的目标进行探测，探测距离达5000公里。此外，相控阵雷达对于短程弹道导弹的袭击可以说是无能为力。例如，1991年，海湾战争期间，伊拉克用“飞毛腿”导弹袭击以色列的时候，其“爱国者”导弹根本无法有效将其击落。四、相控阵雷达天线的应用 相控阵雷达天线在无线电定位领域的深入应用源自于现代战争，特别是当前的电子战和信息战中实现海空远程精确打击的军事新需求。相控阵雷达天线可用于监视引导、低空补盲、导弹制导、炮位侦察、敌我识别、精密跟踪测量、目标

14、指示校射以及机载预警火控等几乎所有的军用雷达系统。目前，在双/多基地雷达和超视距雷达中也采用相控阵体制。此外，相控阵雷达天线在港口及空中交通管制、微波着陆导航、气象预测预报、通信广播、射电天文、遥测遥感和生物医疗等领域的民用事业中已经出现并将有不可估量的广阔用武之地。下面介绍几个相控阵雷达天线在地面、舰载、机载和星载相控阵雷达中应用的实例。1、地面相控阵天线 下图为Raytheon公司于1980年装备美国空军的AN/FPS-115“铺路爪”潜射弹道导弹预警和卫星跟踪相控阵雷达天线。该雷达在固定不动的圆形天线阵上，排列着15360个能发射电磁波的辐射器和2000个不发射电磁波的辐射器。这1536

15、0个辐射器分成96组，与其他不发射电磁波的辐射器搭配起来。这样，每组由各自的发射机供给电能，也由各自的接收机来接收自己的回波。所以，它实际上是96部雷达的组合体。“铺路爪”共有3个固定不动的大型天线面阵，可以对360度范围内的目标进行探测，探测距离达5000公里。【2】 AN/FPS-115相控阵雷达天线2、舰载相控阵天线 美国海军宙斯盾（Aegis）防御系统中的AN/SPY-1是世界上第一部真正意义上的战术多功能舰载相控阵雷达（下图）。1983年服役的AN/SPY-1四面阵天线孔径为4.0m3.9m，工作于S频段，可提供方位360、仰角90的空域覆盖和370km的威力。AN/SPY-1雷达天

16、线是Aegis系统的心脏，能对空中和海面200批目标同时进行自动搜索、检测、跟踪以及具有对18批导弹中段制导的能力。【2】 AN/SPY-1 相控阵雷达天线3、机载相控阵天线 美国Northrop Grumman 公司和Texas 仪器公司联合为具有隐身功能的F-22战斗机研制的AN/APG-77全固态有源相控阵雷达代表了当今世界机载雷达的最高水平（下图）。该雷达天线包含由Texas 仪器公司承制的2000个辐射功率为10W，MTT为2000h的X频段T/R组件。雷达具有远距离引导搜索、多目标跟踪、中距离空空导弹数传、群目标识别判断和气象探测等“能在任何时间，几乎同时看到任何地点目标”的技术功

17、能和工作方式。【2】 AN/APG-77全固态有源相控阵雷达4、星载相控阵雷达天线 天线对星载合成孔径雷达（SAR）的灵敏度、距离及方位分辨力、成像模糊度和测绘带宽度等主要性能有决定性影响。加拿大研制的Radarsat - I型SAR天线为集中馈电的相控阵（下图）。它工作于C频段，峰值功率为5000W的波导窄片缝隙相控阵天线孔径面积为15m1.5m,质量300kg。方位方向上32个数字式铁氧体移相器可灵活地改变天线的波束指向和形状，使Radarsat - I有7类25种工作模式。它的后续型号Radarsat - 的天线阵面采用了T/R组件是一部接受和发射双通道，幅度和相位皆能数字控制的多极化、

18、超分辨成像的固态游园相控阵微带天线。【2】 Radarsat - I 的天线阵面五、结束语相控阵雷达是当今最先进的军事技术之一，在某种程度上来说它影响了当今新军事技术革命的发展方向。虽然存在一些不足之处，但我们有理由坚信：随着科学技术的进步，建立在物理基石上的相控阵雷达将会得到不断的完善。在未来，不论是军事斗争上还是民用事业上，相控阵雷达必定会发挥它不可替代的巨大作用。参考文献：【1】相控阵雷达技术 张光义、赵玉洁 编著【2】相控阵雷达天线 束咸荣、何炳发、高铁 著【3】光学教程 第四版 姚启钧 原著 华东师大光学教材编写组改编第 6 页 共 6 页免责声明：图文来源于网络搜集，版权归原作者所以若侵犯了您的合法权益，请作者与本上传人联系，我们将及时更正删除。