相控陣天線,一種從陣列天線演變而來(lái)的技術(shù),其核心在于通過(guò)相位調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)波束在空間中的指向變化或掃描功能,這種天線也被稱為電子掃描陣列(ESA)天線。構(gòu)成這些天線的單元可以是各種形式,例如獨(dú)立的波導(dǎo)喇叭天線、偶極子天線或貼片天線等。
位于每個(gè)天線單元的后方,都配備有一個(gè)移相器,這個(gè)裝置負(fù)責(zé)調(diào)整單元間信號(hào)的相位差,從而控制波束的指向。如果需要改變信號(hào)的強(qiáng)度,則可以通過(guò)功率分配/相加網(wǎng)絡(luò)或衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
01
線性相控陣天線掃描原理
線性相控陣天線主要應(yīng)用于需要一維相控掃描的雷達(dá)系統(tǒng)中。根據(jù)不同的基本陣列結(jié)構(gòu),線性相控陣天線可以分為兩類:垂射陣列和端射陣列。
在垂射陣列中,天線的最大輻射方向是垂直于陣列的軸向,這樣波束就可以在垂直于天線陣列的法線方向上進(jìn)行左右掃描。而對(duì)于端射陣列來(lái)說(shuō),主瓣的方向則是沿著陣列的軸向。通過(guò)調(diào)整陣列中相鄰單元之間的相位移值,可以改變天線波束的最大輻射方向的指向。
02
平面相控陣天線掃描原理
平面型相控陣天線是一種結(jié)構(gòu),其中天線單元被布置在一個(gè)平面內(nèi),并且能夠在這個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行方位和仰角的相控掃描。
這種天線的單元布局通常分為兩種基本形式:矩形格陣和三角形格陣。三角形格陣可以被看作是由兩個(gè)較大的單元間距的矩形格陣組成的平面相控陣天線。
03
相控陣天線的基本構(gòu)成
在相控陣天線的開發(fā)中,電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微波元件以及控制策略等方面存在很大的差異。一般而言,相控陣天線由天線陣面、移相器、饋線網(wǎng)絡(luò)和控制電路等主要部分構(gòu)成。
在相控陣天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中,如果沒(méi)有源電路的存在,那么它就是一個(gè)無(wú)源相控陣天線。相反,如果天線的每個(gè)單元通道都包含有源器件,如信號(hào)功率放大器、低噪聲放大器、混頻器等,則這種天線被稱為有源相控陣天線。
04
天線陣面
相控陣天線的陣面通常由數(shù)百到數(shù)萬(wàn)個(gè)單元組成,這些單元通過(guò)相位控制來(lái)激勵(lì)輻射。這些輻射單元可以是波導(dǎo)喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等形式的單一單元。根據(jù)單元在空間中的布局方式,相控陣天線可以分為平面相控陣、曲面相控陣和共形相控陣。其中,當(dāng)輻射單元分布在平面時(shí),它被稱為平面相控陣天線;當(dāng)分布在曲面時(shí),則是曲面相控陣天線;如果該曲面與雷達(dá)安裝平臺(tái)的外形一致,它就被稱為共形相控陣天線。
05
饋線網(wǎng)絡(luò)
相控陣天線是一個(gè)復(fù)雜的多通道系統(tǒng),它由眾多的天線單元組成。在這些單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間,需要有一個(gè)復(fù)雜的饋線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。
饋電是指從發(fā)射機(jī)輸出端將信號(hào)傳輸?shù)教炀€陣面的各個(gè)輻射單元,或者將天線陣面各個(gè)輻射單元接收到的信號(hào)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)的輸入端的過(guò)程。饋相則是指為天線陣列中的每個(gè)單元通道提供必要的相位分布,以實(shí)現(xiàn)波束的掃描或改變波束的形狀。
06
移相器
在相控陣天線的饋線網(wǎng)絡(luò)中,移相器扮演著至關(guān)重要的角色,它是實(shí)現(xiàn)饋相功能的關(guān)鍵組件。移相器的設(shè)計(jì)要求包括:能夠精確控制相位、穩(wěn)定性良好、具備寬頻帶和大功率處理能力,以及能夠快速調(diào)節(jié)。
移相器主要分為兩種類型:一種是基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的模擬型移相器,它采用壓控變?nèi)荻O管來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整;另一種是數(shù)字型移相器,它使用PIN二極管作為開關(guān)器件。
07
天線方向圖
方向圖是一個(gè)描述天線輻射特性的三維空間圖形,以天線的相位中心作為球心(即坐標(biāo)原點(diǎn)),在一個(gè)半徑較大的球面上逐點(diǎn)測(cè)量其輻射特性并繪制出來(lái)。通過(guò)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)振幅,我們可以得到場(chǎng)強(qiáng)方向圖;測(cè)量功率分布,可以得到功率方向圖;測(cè)量極化狀態(tài),可以得到極化方向圖;測(cè)量相位分布,則可以得到相位方向圖。

在實(shí)際應(yīng)用中,通常只需測(cè)量天線在水平面和垂直面(即XY平面和XZ平面)的方向圖。天線方向圖是評(píng)估天線性能的關(guān)鍵圖表,它能夠展示天線的多個(gè)重要參數(shù),包括主瓣寬度、旁瓣電平、前后比和方向系數(shù)等。
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