經(jīng)典雷達(dá)資料-第6章反射面天線1

1、207第6章 反射面天線第6章 反射面天線Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天線的作用雷達(dá)天線的基本作用是實(shí)現(xiàn)電磁波的自由空間傳播和導(dǎo)波傳播之間的轉(zhuǎn)換。發(fā)射期間天線的特定功能是將輻射能集中到具有某種形狀的定向波束內(nèi)，以照射指定方向的目標(biāo)。接收期間天線收集目標(biāo)反射的回波信號(hào)能量并將之送往接收機(jī)。因此，在以發(fā)射方式和接收方式工作時(shí)，雷達(dá)天線起到互易的，然而是相互關(guān)聯(lián)的作用。在兩種方式或者作用中主要的目的都是要精確確定目標(biāo)的方向角。為實(shí)現(xiàn)此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，從而不僅達(dá)到所需的角精度，而且能夠分辨相互靠得很近的目標(biāo)。雷達(dá)天

2、線的這一重要特性可以定量的用波束寬度來(lái)表示，也可以表示為發(fā)射增益和有效接收孔徑。后兩個(gè)參量相互成正比，并且與檢測(cè)距離和角精度有直接關(guān)系。許多雷達(dá)都設(shè)計(jì)成工作在微波頻率，這時(shí)用適當(dāng)物理尺寸的天線就能獲得窄的波束寬度。以上雷達(dá)天線的功能性描述意味著一副天線既用于發(fā)射，又用于接收。雖然大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)都是這樣工作的，但是也有例外，如一些單基地雷達(dá)采用收發(fā)分離的天線，當(dāng)然，雙基地雷達(dá)按定義必定是收發(fā)分離的天線。在這一章中，重點(diǎn)介紹較常用的單部天線，特別是廣泛使用的反射面天線。相控陣天線的內(nèi)容參見(jiàn)第7章。波束掃描與目標(biāo)跟蹤由于雷達(dá)天線一般具有定向波束，大范圍的角度覆蓋要求窄波束快速往復(fù)地在空域內(nèi)掃描，以保

3、證不論目標(biāo)在哪個(gè)方向上都能探測(cè)到。這就是警戒雷達(dá)或搜索雷達(dá)的功能。有些雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一旦探測(cè)到目標(biāo)便可進(jìn)行跟蹤，這種跟蹤功能要求專門設(shè)計(jì)與警戒雷達(dá)天線不同的天線。在某些雷達(dá)系統(tǒng)中，特別是在機(jī)載雷達(dá)中，將天線設(shè)計(jì)成既具有搜索又有跟蹤的功能。測(cè)高大多數(shù)警戒雷達(dá)都是二維坐標(biāo)的，只測(cè)定目標(biāo)的距離和方位坐標(biāo)。在早期的雷達(dá)系統(tǒng)中，另外的測(cè)高天線通過(guò)機(jī)械俯仰擺動(dòng)來(lái)測(cè)量第三個(gè)坐標(biāo)，即仰角，由此計(jì)算出空中目標(biāo)的高度?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)的3D雷達(dá)采用一副天線測(cè)量所有三個(gè)坐標(biāo)，例如，一部天線在接收方式工作時(shí)在俯仰方向形成多個(gè)堆積波束，而在發(fā)射方式工作時(shí)形成寬覆蓋的垂直波束。這些波束在水平方向同樣窄，但垂直堆積接收波束可以用兩

4、個(gè)相鄰的交疊波束測(cè)量回波振幅來(lái)確定目標(biāo)的仰角。天線的分類雷達(dá)天線可以分為兩大類，光學(xué)天線和陣列天線。顧名思義，光學(xué)天線是基于光學(xué)原理的，它包含兩個(gè)子類，即反射面天線和透鏡天線。反射面天線仍然廣泛應(yīng)用于雷達(dá)中，而透鏡天線雖然仍用于一些通信和電子戰(zhàn)（EW）場(chǎng)合，但已經(jīng)不再用于現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中。為了減少篇幅，透鏡天線將不在本書(shū)中詳細(xì)討論。但第一版中關(guān)于透鏡天線的參考資料仍保留在本章末的參考資料中。6.2 基本原理和參量本節(jié)簡(jiǎn)述天線的基本原理，著重介紹對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有用的術(shù)語(yǔ)的定義。為了給雷達(dá)系統(tǒng)選擇最佳類型的天線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)該對(duì)將要選擇的各種類型天線的基本性能特征有清楚的認(rèn)識(shí)1，包括反射面天線（在

5、本章討論）和相控陣天線（在第7章討論）之間的選擇，還有用相控陣列饋電的反射面天線。雖然本章著重討論反射面天線，但是本節(jié)討論的許多基本原理適用于所有的天線。對(duì)任何天線，必須考慮的三個(gè)基本參量包括： 增益（和有效孔徑） 輻射方向圖（包括波束寬度、副瓣） 阻抗（電壓駐波比或VSWR）其他的基本考慮還有互易性和極化，它們將在本節(jié)做簡(jiǎn)要介紹。互易性大多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)都采用一副天線，既用于發(fā)射，又用于接收，而且大部分這樣的天線都是互易性設(shè)備，其含義是它們的性能參量（增益、方向圖、阻抗）在兩種工作方式下是一樣的。這一互易性原理2允許天線既可以看成是發(fā)射設(shè)備，又可看成是接收設(shè)備，由具體討論時(shí)哪個(gè)更方便而定。這也允

6、許在任何一種工作方式下測(cè)試天線（參見(jiàn)6.10節(jié)）。非互易雷達(dá)天線的例子是使用了非互易的鐵氧體元件的相控陣天線，收發(fā)模塊中含放大器的有源陣列天線和3D（距離、方位和仰角）雷達(dá)的測(cè)高天線。后者的代表是AN/TPS43雷達(dá)3，它在接收時(shí)采用在仰角上堆積的幾個(gè)交疊波束，在發(fā)射時(shí)采用一個(gè)寬仰角波束。在水平方向上波束都一樣窄。必須分別測(cè)試這些非互易天線的發(fā)射特性和接收特性。增益、方向性系數(shù)和有效孔徑術(shù)語(yǔ)天線增益用來(lái)描述一副天線將能量聚集于一個(gè)窄的角度范圍（方向性波束）的能力。天線增益的兩個(gè)不同卻相關(guān)的定義是，方向增益和功率增益。前者通常稱做方向性系數(shù)，后者常稱為增益。清楚地理解兩者之間的區(qū)別是非常重要的。

7、方向性系數(shù)（方向性增益）定義為最大輻射強(qiáng)度（每立體弧度內(nèi)的瓦數(shù)）與平均輻射強(qiáng)度之比，即 （6.1）也可以用遠(yuǎn)場(chǎng)距離R處的最大輻射功率密度（每平方米的瓦數(shù)）與同一距離上的平均密度之比表示，即 （6.2）因此，方向性系數(shù)定義就是指，實(shí)際的最大輻射功率密度比輻射功率為各向同性分布時(shí)的功率密度強(qiáng)多少倍。注意，這個(gè)定義不包含天線中的耗散損耗，只與輻射功率的集中有關(guān)。增益（功率增益）包含天線的損耗，并且用天線輸入端收到的功率P0來(lái)定義，而不用輻射功率Pt，即 （6.3）對(duì)于實(shí)際的（非理想的）天線，輻射功率Pt等于收到功率P0乘以天線輻射效率因子h， （6.4）例如，若一個(gè)典型天線的耗散損耗為1.0 dB，

8、則，即輸入功率的79%被輻射。其余部分或21%，被轉(zhuǎn)化為熱能。對(duì)反射面天線，大部分的損耗都發(fā)生在連接到饋源的傳輸線上，并能夠做到小于1 dB。比較式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系數(shù)之間有如下的簡(jiǎn)單關(guān)系： （6.5）因此，除理想無(wú)耗天線（h=1.0, G=GD）外，天線增益總是小于方向性系數(shù)。方向性系數(shù)-波束寬度間的近似關(guān)系天線方向性系數(shù)與波束寬度間有如下近似的且非常有用的關(guān)系（參見(jiàn)2.3節(jié)）： （6.6）式中，Baz和Bel分別為主平面內(nèi)的方位和俯仰半功率波束寬度（單位為）。這一關(guān)系與方向性系數(shù)為46 dB的11筆形波束等價(jià)。由這一基本組合，其他天線的近似方向性系數(shù)

9、可以很快求出，例如，與12波束對(duì)應(yīng)的方向性系數(shù)是43 dB，因?yàn)椴ㄊ鴮挾燃颖秾?duì)應(yīng)的方向性系數(shù)下降3 dB。類似地，22波束對(duì)應(yīng)40 dB，110波束對(duì)應(yīng)36 dB的方向性系數(shù)，依次類推。將每次波束寬度的變化都轉(zhuǎn)換成分貝，方向性系數(shù)也做相應(yīng)的調(diào)整。但這一關(guān)系不適用于賦形（如余割平方）波束。有效孔徑天線的孔徑是它在與主波束方向垂直平面上的投影的實(shí)際面積。有效孔徑的概念在分析天線工作于接收方式時(shí)是很有用的。對(duì)面積為A，工作波長(zhǎng)為l的理想（無(wú)耗）、均勻照射孔徑，方向性增益為 （6.7）上式表示孔徑A可提供的最大增益，并意味著天線有理想的同相位、等振幅的分布。為了減小方向圖的副瓣，天線通常并不是均勻照射

10、，而是漸變照射（孔徑中心最大，邊緣較?。┑?。這時(shí)，天線的方向性增益比式（6.7）給出的要小，即 （6.8）式中，Ae 是天線的有效孔徑或捕獲面積，等于幾何孔徑與一個(gè)小于1的因子ra（稱為孔徑效率）的乘積： （6.9）最好將孔徑效率稱為孔徑效能，因?yàn)樗话ㄞD(zhuǎn)化為熱能的RF功率，也就是說(shuō)，它不含耗散效應(yīng)，而只是給定孔徑被利用的有效程度的量度。比如說(shuō)，孔徑效率為50%（ra=0.5）的天線比均勻照射孔徑的增益低3 dB，但并不是耗散了一半的功率。有效孔徑表示一個(gè)均勻照射孔徑，該孔徑比實(shí)際的非均勻照射孔徑小，但具有相同的增益。有效孔徑是一個(gè)面積，與入射功率密度相乘后可給出天線的接收功率： （6.10

11、）輻射方向圖電磁能在三維角空間中的分布表示成相對(duì)（歸一化）基礎(chǔ)上的曲線時(shí)，稱為天線輻射方向圖。這種分布可用各種方式繪制成曲線，如極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)、電壓強(qiáng)度或功率密度、單位立體角內(nèi)功率（輻射強(qiáng)度）等。圖6.1所示為典型的圓孔徑天線的方向圖，該圖將等距離上的對(duì)數(shù)功率密度（垂直坐標(biāo)用分貝計(jì)）與方位角和俯仰角的關(guān)系繪制在直角坐標(biāo)系中。方向圖的主瓣（或主波束）是筆形波束（圓截面），四周是較小的瓣，通常稱為副瓣。角坐標(biāo)的原點(diǎn)取在主瓣峰值方向，通常稱為天線的電基準(zhǔn)軸。電基準(zhǔn)軸可與天線的機(jī)械軸（即對(duì)稱軸，有時(shí)稱為視軸）重合，也可以不重合。若兩者不重合（常常是無(wú)意的），其角度差稱為視軸誤差，在測(cè)量目標(biāo)方向時(shí)必須

12、考慮這種誤差。圖6.1（a）所示為天線方向圖的三維特性，以這種形式繪制方向圖需要大量的數(shù)據(jù)。同樣的數(shù)據(jù)也能夠繪制成等功率電平輪廓線圖，如圖6.1（c）所示。這些輪廓線圖是一系列水平面與三維方向圖在不同的功率電平處的交線，對(duì)顯示功率的角空間分布是很有用的。在大多數(shù)情況下，用二維方向圖就足夠了，且測(cè)量和繪制起來(lái)比較方便。例如，如果將圖6.1（a）的方向圖與通過(guò)波束峰值和0方位的垂直面相截，則得到方向圖的二維切片或“切割”，稱為主平面垂直方向圖，如圖6.1（b）所示。用與第一個(gè)平面垂直或正交的平面（含峰值和0仰角）做類似的切割，得到所謂的方位方向圖，它也是一個(gè)主平面截面，因?yàn)槠渲邪ㄊ逯担舶?/p>

13、一個(gè)角坐標(biāo)軸。這些主平面有時(shí)也稱為基本平面。其他通過(guò)波束峰值的所有垂直平面則稱為基本間平面。為了描述天線的方向性能，有時(shí)需要測(cè)量和繪制45基本間平面內(nèi)的方向圖，然而對(duì)于大多數(shù)情形只需繪制方位和俯仰方向圖就足夠了，或者說(shuō)用兩個(gè)包含波束軸的平面切割對(duì)三維方向圖采樣就足夠了（且經(jīng)濟(jì)得多）。術(shù)語(yǔ)方位和俯仰意味著以地面為參考坐標(biāo)，這并不總是可行的，尤其是對(duì)機(jī)載或天基（星基）系統(tǒng)。通常，天線的更通用的一對(duì)主平面是線性極化天線的所謂E面和H面。其中，E面方向圖是包含天線輻射的E場(chǎng)（電矢量）方向的主平面，由于H面與之正交，故包含H場(chǎng)（磁矢量）方向。這兩個(gè)主平面不依賴基于地面的方向（如方位和俯仰），故被廣泛應(yīng)用

14、。圖6.1 典型的筆形波束方向圖：（a）整個(gè)方向圖的三維直角坐標(biāo)曲面圖；（b）主平面垂直方向圖； （c）等強(qiáng)度（等照射）線（由美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的D. Dhoward提供）應(yīng)該注意的是，對(duì)三維方向圖的采樣不限于上述平面切割。從測(cè)量技術(shù)的觀點(diǎn)看，有時(shí)取錐形切割是有意義且方便的，也就是用以天線的電軸（或機(jī)械軸）為中心取不同角寬度的角錐來(lái)截三維方向圖。圖6.1（b）中所示的典型的二維方向圖常常繪制在直角坐標(biāo)系中，垂直軸用分貝表示。至今，這是繪制方向圖時(shí)最廣泛采用的形式，因?yàn)樗宄靥峁┓较驁D的細(xì)節(jié)，并具有很寬的電平動(dòng)態(tài)范圍。但是，也有用其他形式的，如圖6.2所示。圖中示出同一(sinx)/x方向圖的

15、4種形式：（a）相對(duì)電壓（強(qiáng)度）的極坐標(biāo)曲線；（b）電壓的直角坐標(biāo)曲線；（c）相對(duì)功率（密度）的直角坐標(biāo)曲線；（d）對(duì)數(shù)功率（用分貝表示）的直角坐標(biāo)曲線。圖6.2（a）、（b）和（c）中的線性電壓和功率刻度不適合顯示方向圖中的低電平細(xì)節(jié)，而圖6.2（d）便于“看清”整個(gè)方向圖。當(dāng)然，極坐標(biāo)方向圖也能夠在徑向用分貝繪制，但是，低電平細(xì)節(jié)被壓縮在方向圖的中心附近使可視性很差。圖6.2說(shuō)明常采用直角坐標(biāo)分貝方向圖的原因。波束寬度天線方向圖的主要特征之一是主瓣的波束寬度，即它的角寬度。由于主瓣是連續(xù)函數(shù)，它的寬度從峰值到零點(diǎn)（或最小點(diǎn)）是不一樣的。最頻繁使用的是半功率波束寬度（HPBW），在圖6.2（

16、a）和（b）中，它出現(xiàn)在0.707相對(duì)電壓處，在圖6.2（c）中出現(xiàn)在0.5相對(duì)功率處，在圖6.2（d）中的3 dB處。有時(shí)也要規(guī)定或測(cè)量其他的波束寬度，如十分之一功率（10 dB）波束寬度或零點(diǎn)間波束寬度。但如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)波束寬度即指半功率（3 dB）波束寬度。半功率波束寬度也常用做天線的分辨力的量度，因此，如果等距離處的兩個(gè)目標(biāo)能夠通過(guò)半功率波束寬度分開(kāi)，就說(shuō)明這兩個(gè)目標(biāo)在角度上是可以分辨的。天線的波束寬度與天線孔徑的大小有關(guān)，也與孔徑上的振幅和相位分布有關(guān)。對(duì)給定的分布，波束寬度（對(duì)特定的平面切割）與用波長(zhǎng)表示的該平面內(nèi)的孔徑尺寸成反比，即半功率波束寬度可表示為 （6.11

17、）式中，D為孔徑的尺寸；l為自由空間的波長(zhǎng)；K是被稱為波束寬度因子的比例常數(shù)。每一振幅分布（假定為線性相位分布）都有其相應(yīng)的波束寬度因子，它既可用弧度，也可用度來(lái)表示。副瓣主瓣（主波束）區(qū)域以外，天線輻射方向圖常常由大量較小的波瓣組成，其中靠近主波束的那些是副瓣。然而，通常的做法是將所有較小的波瓣統(tǒng)稱為副瓣，其中靠近主波束的稱為頭幾個(gè)副瓣。偏離主瓣180左右的較小的波瓣稱為背瓣。雷達(dá)系統(tǒng)的問(wèn)題可能源于副瓣。發(fā)射方式時(shí)，副瓣表示輻射功率的浪費(fèi)，也就是輻射照射到其他方向而不是預(yù)期的主波束方向；接收方式時(shí)，它們使能量從不希望的方向進(jìn)入系統(tǒng)。例如，探測(cè)低空飛行目標(biāo)的雷達(dá)能夠通過(guò)副瓣接收到很強(qiáng)的地物回波

18、（雜波），它能夠掩蓋低RCS目標(biāo)通過(guò)主瓣進(jìn)入的弱回波，同時(shí)，來(lái)自友方源的無(wú)意干擾信號(hào)（電磁干擾或EMI）和/或來(lái)自非友方源的有意干擾能夠通過(guò)副瓣進(jìn)入。因此，常常（但并不總是）將雷達(dá)天線的副瓣設(shè)計(jì)得盡可能低（兼顧其他需要考慮的因素），以便使上述問(wèn)題最小。（注意：存在不需要使副瓣盡可能小的系統(tǒng)，例如，為了使主瓣雜波或干擾盡可能小，系統(tǒng)容許其天線副瓣稍高一些，以獲得最窄的主瓣零功率寬度。）圖6.2 同一(sinx)/x方向圖的各種表示形式為了獲得低副瓣，天線孔徑的振幅分布必須設(shè)計(jì)成漸變的。對(duì)給定的天線增益，這意味著必須采用較大的天線孔徑。反之，對(duì)給定的天線尺寸，較低的副瓣意味著較低的增益和相應(yīng)較寬的

19、波束寬度?？紤]副瓣、增益和波束寬度間的最佳折中（權(quán)衡）對(duì)選擇或設(shè)計(jì)雷達(dá)天線是重要的。第7章的圖7.23為Taylor最佳振幅分布45時(shí)的這種權(quán)衡關(guān)系。Taylor振幅分布廣泛用于雷達(dá)天線的副瓣抑制。一組曲線是對(duì)矩形（線性）孔徑的，另一組是對(duì)圓Taylor分布的。天線方向圖的副瓣電平可以用幾種方法表述。最通用的表述是相對(duì)副瓣電平，它定義為最大副瓣峰值電平與主瓣峰值電平之比。例如，“-30 dB副瓣電平”是指用強(qiáng)度（輻射功率密度）表示時(shí)最大副瓣的峰值是主瓣峰值的千分之一（10-3或-30 dB）。副瓣電平也能用相對(duì)于各向同性天線的絕對(duì)電平來(lái)定量表示。在上例中，如果天線增益是35 dB，-30 dB

20、相對(duì)副瓣的絕對(duì)電平是+5 dBi，即高于各向同性天線5 dB。對(duì)某些雷達(dá)系統(tǒng)，單個(gè)副瓣的峰值電平不如所有副瓣的平均電平重要。特別是諸如機(jī)載預(yù)警與控制系統(tǒng)（AWACS，用于E3A）的機(jī)載“下視”雷達(dá)，它要求非常低的（超低）平均副瓣以抑制地雜波。平均副瓣是一種功率平均（有時(shí)稱為rms電平），通過(guò)對(duì)主瓣以外的所有副瓣的功率求積分，再表示成相對(duì)于各向同性天線的分貝值（dBi）而得到。例如，如果輻射功率的90%在主波瓣中，則10%在所有的副瓣中，這對(duì)應(yīng)于-10 dBi的平均副瓣電平。如果主瓣中包括了輻射功率的99%，則平均副瓣電平是0.01或-20 dBi。超低平均副瓣電平定義為低于-20 dBi，通過(guò)

21、仔細(xì)的設(shè)計(jì)和加工已被實(shí)現(xiàn)。描述副瓣電平的另一種方法（不常用，但有時(shí)很有意義）是采用中值電平，意義是有一半角空間的副瓣電平高于該電平值，另一半低于該電平值。極化天線的極化方向定義為電場(chǎng)（E場(chǎng)）矢量的方向。許多現(xiàn)有雷達(dá)的天線是線極化的，常常為垂直極化或水平極化；雖然這些表示隱含以地面為參考，但對(duì)機(jī)載或衛(wèi)星天線也很常用。一些雷達(dá)使用圓極化，以便探測(cè)雨中的飛機(jī)等目標(biāo)。在這種情形下，任一固定觀察點(diǎn)的E場(chǎng)的方向隨時(shí)間而變化，在與傳播方向垂直的固定平面內(nèi)每RF周期描繪的軌跡是一個(gè)圓。圓極化（CP）有兩種可能的情況，右旋圓極化（RHCP）和左旋圓極化（LHCP）。對(duì)于RHCP，電矢量相對(duì)于波離開(kāi)觀察點(diǎn)行進(jìn)的方

22、向呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，而LHCP則按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。RHCP和LHCP的這些定義能夠用手說(shuō)明：拇指指向傳播方向，四指所握的方向即為E矢量旋轉(zhuǎn)的方向。由于互易性，設(shè)計(jì)成以某特定極化方式輻射的天線也能接收同樣的極化。最一般的極化是橢圓極化（EP），它可看成是不完全的CP，其E場(chǎng)的軌跡是橢圓，而不是圓。Kraus的著作67深入淺出地討論了極化。還有一點(diǎn)對(duì)雷達(dá)天線很重要，即不僅要考慮輻射或接收什么極化，還要考慮極化純不純。例如，精心設(shè)計(jì)的垂直極化天線也可能在某些方向（通常在偏離主波束的方向）輻射少量的與之正交的水平極化。類似地，設(shè)計(jì)為RHCP的天線也輻射某些LHCP，它與RHCP在數(shù)學(xué)上是正交的。所希望

23、的極化稱為主極化（COPOL），而不希望的極化則稱為交叉極化（CROSSPOL）。極化純度在副瓣區(qū)與主瓣區(qū)一樣重要。某些具有低COPOL副瓣的天線，如果設(shè)計(jì)不適當(dāng)，就可能具有較高的CROSSPOL副瓣，這將引起雜波或干擾問(wèn)題。一副精心設(shè)計(jì)的天線，在主瓣區(qū)其CROSSPOL分量比COPOL至少低20 dB，在副瓣區(qū)則低510 dB?？拷炀€的反射面，如飛機(jī)的螺旋槳或艦船的上層結(jié)構(gòu)，能夠影響天線的極化純度，故應(yīng)該抑制（控制）其影響。6.3 天線的類型反射面天線有各種各樣的形狀，相應(yīng)地，照射表面的饋源也是各種各樣，每種都用于特定的場(chǎng)合。圖6.3所示為最常用的幾種，以后幾節(jié)將詳細(xì)論述。圖6.3（a）中

24、的拋物面天線將焦點(diǎn)處的饋源的輻射聚焦成筆形波束，從而獲得高的增益和小的波束寬度。圖6.3（b）中的拋物柱面天線在一個(gè)平面實(shí)現(xiàn)平行校正，但在另一平面允許使用線性陣列，從而使該平面內(nèi)的波束能夠賦形或可靈活控制。使波束在一個(gè)平面內(nèi)賦形的另一方法示于圖6.3（c），圖中的表面不再是拋物面。這是一種較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但由于孔徑上只有波的相位變化，對(duì)波束形狀的控制不如既可調(diào)整線性陣列的振幅又可調(diào)整其相位的拋物柱面靈活。圖6.3 反射面天線的常用類型：（a）拋物面天線；（b）拋物柱面天線；（c）賦形天線；（d）堆積波束天線；（e）單脈沖天線；（f）卡塞格倫天線；（g）透鏡天線雷達(dá)設(shè)計(jì)師常常需要多個(gè)波束來(lái)實(shí)現(xiàn)空域

25、覆蓋或角度測(cè)量。圖6.3（d）示出多個(gè)不同位置饋源產(chǎn)生的一組不同角度的二次波束。對(duì)增加饋源的兩條限制是，它們離開(kāi)焦點(diǎn)愈遠(yuǎn)，散焦愈嚴(yán)重，而且對(duì)孔徑的遮擋增大。更常見(jiàn)的多波束設(shè)計(jì)是圖6.3（e）所示的單脈沖天線，顧名思義，它是用單個(gè)脈沖來(lái)確定角度的。在該例中，第二個(gè)波束通常是差波束，它的零點(diǎn)正好在第一個(gè)波束的峰值處。典型的多反射體系統(tǒng)是圖6.3（f）中的卡塞格倫天線，它通過(guò)一次波束的賦形提供多一個(gè)自由度，并使饋源系統(tǒng)方便地置于主反射體的后面。圖示的對(duì)稱配置存在明顯的遮擋，但使用偏置配置預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)更好的性能。透鏡天線（如圖6.3（g）所示）不像它們以往那樣流行，主要是由于相控陣天線可提供透鏡天線曾

26、經(jīng)提供過(guò)的眾多功能。透鏡主要是能避免遮擋，而遮擋在有大尺寸饋源系統(tǒng)的反射面天線中可能是不允許的。各種類型的透鏡均已被研究過(guò)813。在現(xiàn)代天線設(shè)計(jì)中，這些基本類型的組合和變形被廣泛應(yīng)用，既是為了減少損耗和副瓣，又是為了提供特定的波束形狀和位置。拋物反射面天線拋物反射面天線的原理和設(shè)計(jì)參見(jiàn)其他文獻(xiàn)241415。它的基本幾何關(guān)系如圖6.4（a）所示。假定導(dǎo)體拋物反射面的焦距為f，焦點(diǎn)F處有一個(gè)饋源。由幾何光學(xué)原理可以證明，從F入射到反射面的球面波經(jīng)反射后變成沿+z方向傳播的平面波，如圖6.4（b）所示。圖6.4 拋物反射體的幾何表示：（a）幾何關(guān)系（b）工作特性分析中兩種有用的坐標(biāo)系如圖6.4（a）

27、所示。在直角坐標(biāo)系(x,y,z)中，頂點(diǎn)在原點(diǎn)(0，0，0)的拋物面方程為 （6.12）在饋源為原點(diǎn)的球坐標(biāo)系(r,y,x )中，拋物面方程為 （6.13）這種坐標(biāo)系對(duì)設(shè)計(jì)饋源方向圖是有用的，例如，饋源至反射體邊緣的張角可用下式求出： （6.14）圖6.5中將孔徑角2y0繪制成f/D的函數(shù)。具有較長(zhǎng)焦距的反射體較平坦，引起的極化畸變和偏軸波束畸變最小，它要求一次波束最窄，從而要求饋源最大。例如，f /D=1.0的反射體要求的喇叭口尺寸近似為f/D=0.25的反射面要求的4倍。大多數(shù)反射體的焦距f都選在它的直徑D的0.250.5倍之間。當(dāng)設(shè)計(jì)饋源以特定的漸變方式照射反射體時(shí)，必須考慮至表面的距離

28、r，因?yàn)榍蛎娌ǖ墓β拭芏仁且?/r2下降的。由饋源方向圖及這一“空間錐削”的乘積可知，反射面邊緣的電平低于反射體中心的，它的空間錐削用分貝表示為 （6.15）式（6.15）的關(guān)系如圖6.6所示，它表明有意義的貢獻(xiàn)出現(xiàn)在較小的焦距處。在低副瓣應(yīng)用中，振幅的衰減可與饋源方向圖結(jié)合使用，以便獲得特定形狀的孔徑邊緣分布。圖6.5 拋物反射面邊緣的張角圖6.6 來(lái)自饋源的球面波的擴(kuò)展所產(chǎn)生的邊緣衰減（空間損耗）雖然反射面通常被畫(huà)成圓，并被位于中心點(diǎn)的饋源圓對(duì)稱照射，但也采用各種別的形狀，如圖6.7所示。通常對(duì)水平和垂直波束寬度的要求是不同的，從而要求如圖6.7（b）中的“橘瓣形”或橢圓形反射面。一旦副瓣

29、電平減小到使饋源遮擋不可忍受的程度，就有必要采用偏置饋電（如圖6.7（c）所示）。即焦軸不再與反射面相交，但饋源依然處于所用的反射面部分的焦點(diǎn)處。考慮到饋源至圓盤離饋源較遠(yuǎn)的邊沿有較大的空間衰減，偏置拋物面的饋源必須對(duì)準(zhǔn)所用反射面的面積中心之外，結(jié)果形成非對(duì)稱照射。圖6.7 拋物反射面天線的外形輪廓：（a）圓；（b）橢圓；（c）偏置饋源；（d）斜拐角；（e）方形拐角；（f）階梯拐角大多數(shù)拋物反射面具有圓拐角或斜拐角（如圖6.7（d）所示），以減小面積，特別是使需要轉(zhuǎn)動(dòng)的天線減小轉(zhuǎn)矩。所去掉的面積照射很弱，因此對(duì)增益的影響很小。然而，圓和橢圓外形將使主平面外的所有角度均存在副瓣。如果指定的低副瓣

30、不在主平面內(nèi)，可能就有必要保持方形拐角，如圖6.7（e）所示。拋物面天線至今仍然是許多雷達(dá)天線的基本形式，因?yàn)榻柚谧詈?jiǎn)單和最小的饋源，它可提供最大的有效增益和最小的波束寬度。拋物柱面天線2 16 17 在通常情況下，俯仰或方位波束中有一個(gè)需可控或賦形，而另一個(gè)則不要。由線源饋電的拋物柱面反射面能夠以最適當(dāng)?shù)拇鷥r(jià)實(shí)現(xiàn)這一靈活性?？梢栽O(shè)想線源饋電的多種形式，從平行平板透鏡到縫隙波導(dǎo)，乃至采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的相控陣24。甚至在兩個(gè)方向圖均為固定形狀的場(chǎng)合也用到拋物柱面天線，AN/TPS63（如圖6.8所示）就是一例，其中俯仰波束形狀在水平面方向必須為陡峭的裙形，以便能工作在低仰角而不受地面反射的影響。垂

31、直陣列能夠比等高度的賦形拋物面產(chǎn)生更陡峭的裙形，因?yàn)橘x形拋物面將其高度的一部分用于高仰角覆蓋。這種陣列將高波束和低波束疊加在公用孔徑上，從而使每一波束能利用全部高度。基本的拋物柱面如圖6.9所示，圖中反射面的輪廓線是 （6.16）饋源在焦線FF上，反射面上的點(diǎn)相對(duì)于饋源中心的位置為x和r=f sec2(y /2)。除空間衰減外，拋物面的許多準(zhǔn)則都能用于拋物柱面。由于饋源的能量發(fā)散到柱面，而不是到球面上，功率密度隨r 下降，而不是隨r2下降。因此，式（6.15）的空間衰減用分貝表示時(shí)會(huì)減半。圖6.8 AN/TPS63雷達(dá)的拋物柱面天線（原西屋電氣公司提供）拋物柱面的高度或長(zhǎng)度必須與線性饋源陣的有

32、限波束寬度、形狀和掃描角相適應(yīng)。正如圖6.9所示，在與側(cè)射面的夾角為q 處，一次波束在距頂點(diǎn)f tanq 處與反射面相交。因?yàn)閬?lái)自受控線源的一次波束的峰值落在一個(gè)圓錐上，使之與反射體頂部的左右拐角的相應(yīng)交線更遠(yuǎn)，即在f sec2(y0/2)tanq 處。基于這一原因，拋物柱面的拐角實(shí)際上很少是圓的。如果拋物柱面對(duì)稱，則受到的遮擋很大，因此常常制成偏置的。然而，適當(dāng)設(shè)計(jì)的多單元偏置線源饋電的柱面能夠具有優(yōu)良的性能（如圖6.10所示）18。這種設(shè)計(jì)的變形反射體的軸線是水平的，并由線陣饋電，以便獲得低副瓣的方位方向圖，而在高度上被賦形以滿足俯仰覆蓋。這是一種經(jīng)濟(jì)的替代完全的二維陣列的設(shè)計(jì)。圖6.9

33、拋物柱體：（a）幾何形狀；（b）形狀延展圖6.10 用于測(cè)試低副瓣拋物柱面的盒狀結(jié)構(gòu)及所測(cè)方向圖（羅姆航空發(fā)展中心Ronald Fante提供）賦形反射體由于種種原因，需要具有指定形狀的扇形波束。最常見(jiàn)的需求是俯仰波束能提供等高度覆蓋。如果忽略一些次要的因素，并且發(fā)射和接收波束相同，功率方向圖與csc2q 成正比能夠做到這一點(diǎn)，這里q 為仰角219。實(shí)際上，這一眾所周知的余割平方方向圖已經(jīng)被一種類似然而更特殊的形狀，即擬合了地球曲率并考慮了靈敏度時(shí)間控制（STC）的形狀所取代。給波束賦形的最簡(jiǎn)單的方法是給反射面賦形，如圖6.11所示。反射面的每一部分指向一個(gè)不同的方向，且在幾何光學(xué)的適用范圍內(nèi)

34、，該角度處的振幅是來(lái)自饋源的在這一部分上的功率密度積分和。Silver2用圖形說(shuō)明了確定余割平方波束輪廊線的過(guò)程。然而，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)對(duì)被反射的一次波束直接求積分而精確地逼近任意的波束形狀。這樣做時(shí)，設(shè)計(jì)師可使近似達(dá)到任何所需的精度。特別是能考慮一次波束的方位漸變，對(duì)準(zhǔn)仰角q 的那扇反射體能在方位面聚焦，以及從仰角q 看去能有適當(dāng)?shù)耐庑蔚龋ㄈ鐖D6.12所示）。沒(méi)有這些防范措施，偏軸副瓣就會(huì)由香蕉形扇面產(chǎn)生。圖6.11 反射面的賦形圖6.12 三維賦形反射面天線的設(shè)計(jì)大多數(shù)賦形反射面都利用賦形使饋源置于二次波束之外。圖6.13顯示，即使饋源看來(lái)對(duì)著反射面，遮擋實(shí)際上也是可以消除的。ASR

35、9（如圖6.14所示）是用這些過(guò)程設(shè)計(jì)的賦形反射面天線的代表。俯仰賦形、方位裙形波束和副瓣都由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程密切控制。賦形反射面的局限性使孔徑的相當(dāng)大部分沒(méi)有用于形成主波束。如果饋源方向圖是對(duì)稱的，且功率的一半指向?qū)捊?，則主波束將只利用孔徑的一半，從而有兩倍的波束寬度。這只用于相位形成陣列方向圖。但如果要形成尖銳的裙形方向圖，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)增加饋源可以避免此類問(wèn)題。圖6.13 遮擋的消除圖6.14 ASR9雷達(dá)的具有偏置饋源的賦形反射面天線和安裝在其頂部的空中交通管制信標(biāo)系統(tǒng)（ATCRBS）的陣列天線（原西屋電氣公司提供）多波束和增加饋源1921拋物面焦點(diǎn)處的饋源將形成與焦軸平行的波束。偏離焦點(diǎn)的附加饋源則形成與焦軸呈一定角度的附加波束。這是反射面天線的一種強(qiáng)有力的能力，即通過(guò)適當(dāng)增加硬件可以延伸覆蓋范圍。每一附加波束幾乎都能夠具有全增益，并且相鄰波束能通過(guò)相互比較獲取角度信息。饋源在焦點(diǎn)上時(shí)拋物面才能將球面波反射成平面波。饋源偏離焦點(diǎn)時(shí)則有相位的畸變，這將隨以波束寬度表示的中角位移的增大而增大，隨焦距的增大而減小。圖6.15示出當(dāng)饋源偏軸移動(dòng)時(shí)這一畸變對(duì)典型的碟形天線方向圖的影響。具有長(zhǎng)焦距的平碟形有最小的相位畸變。隨著饋源的移動(dòng)而不斷減少照射的反射面部分可