【资料汇总】雷达天线

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今日主题：雷达天线

天线用来发射或接收电磁波，是雷达系统中最关键的部件之一。天线结构必须保证天线在任何环境条件下保持工作。通常在相对恶劣的环境条件下使用天线罩来保护天线。

雷达的基本性能与天线面积或孔径和平均发射功率的乘积成正比。因此，在天线上的投入可以为系统性能方面带来显著的效果。考虑到这些功能和雷达天线所需的效率，通常采用两种方式：

  • 抛物面碟形天线

  • 阵列天线


当天线单独用作发射或接收用途时，天线增益是一个重要的特性。有些天线的辐射源向各个方向均匀地辐射能量，这种辐射称为各向同性辐射。


从天线辐射出来的能量形成一个具有一定辐射图样的场。辐射图是一种绘制天线辐射能量的方法。这种能量是在与天线保持恒定距离的不同角度测量的，它的形状取决于所使用的天线类型。

. 主瓣，围绕最大辐射方向的区域(通常是主波峰值3dB以内的区域)。
. 旁瓣，远离主瓣的较小的瓣。这些旁瓣通常是辐射在不希望的方向，永远不能完全消除。旁瓣电平是表征辐射模式的一个重要参数。
. 后瓣，这是与主波束方向相反的辐射的一部分。
天线的方向性是指天线把辐射出去的能量集中在期望方向上的程度，我们通常看到的天线的三维图形，虽然大部分能量都集中在视轴的一个大致区域内，就是大家所熟知的“主瓣”，但是在其他方向上或多或少都要辐射一些能量，受大家关注较多的是“旁瓣”以及主旁瓣比。

天线增益是相对于参考天线来说的，比如说100W的功率馈给天线并不会得到大于100W的辐射能量。而是以牺牲其他方向为代价，天线将辐射能量集中到特定方向，从而得到了相对于参考天线的增益。


在输入功率相等的情况下，天线增益是指实际天线和参考天线在空间同一点处的功率密度之比。以各向同性天线(isotropic antenna)或偶极子天线(dipole antenna)为参考，得到天线增益的单位分别为dBi和dBd。

天线增益描述的是天线将功率集中辐射的程度，因此与天线方向图密切相关。一般来说天线方向图主瓣越窄、副瓣越小，则增益越高。



有效辐射功率(Effective Radiated Power，ERP)和等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)是有区别的。有效辐射功率定义为天线增益和输入功率的乘积。

假设一个100W的发射机连接到增益为9dBd的天线上，系统传输线和接头损耗为3dB，计算出ERP=50dBm+9dBd-3dB=56dBm，ERP是400W。

这里的ERP=400W并不是说发射机馈给天线的功率增加了，而是说如果采用的是偶极子天线，在该方向上达到相同的辐射效果，需要的等效功率是400W。


在谈到天线增益的时候，会有方向性增益和功率增益的区分，它们是通过辐射效率相互联系的，方向性增益总是大于功率增益的，并与天线波束宽度有密切关系。


天线方向图可以看出在空间不同方向有大小不同的增益，我们常说的“天线增益”通常是指产生最大增益方向上的增益，单位为dBi或者dBd。这二个单位的参考基准不同，前者是以各向同性天线(isotropic antenna)为基准，后者是以偶极子天线(dipole antenna)为基准。偶极子天线的增益：


0dBd=2.15dBi


也就是说若以dBd来表示天线增益时，数值会变小。例如：增益为5dBd的天线增益可以表示为7.15dBi。


常说的天线“3dB波束宽度”是指天线增益下降到视轴增益一半，也就是相比于最大增益衰减了3dB时两个增益值之间的夹角。

天线的极化


天线的辐射场由电场和磁场组成。这些场总是成直角。电场决定了波的偏振方向。当一个线天线从经过的无线电波中提取能量时，当天线方向与电场方向相同时，会产生最大的电场。电场的振荡可以是单向的(线性极化)，或者电场的振荡方向可以随波的传播而旋转(圆极化或椭圆极化)。


垂直和水平安装的接收天线分别接收垂直和水平极化波。由于天线无法接收极化不同的信号，因此，极化的变化会导致接收到的信号电平发生变化。主要采用两种极化面：

  • 在垂直极化波中，电场方向是垂直的。

  • 在水平极化波中，电场方向是水平的。


线性极化可以接收所有平面的信号，但除了两个极化正交的情况。当用一个单线天线来接收无线电波时,当电场方向一致时接收天线接收到的能量最大，因此垂直的天线用于高效接收垂直极化波,水平的天线用于接收水平极化波。

圆极化是指每一次射频能量循环时，电场都会360度旋转。圆极化是由两个90°移相接收器和两个同时移动90°的平面极化天线引起的。由于波的强度通常用电场强度(伏特、毫伏或每米微伏)来测量，所以选择电场作为参考场。

在某些情况下，电场的方向不保持恒定。因此，波在空间中传播时，磁场也随之旋转。在这些条件下，场的水平分量和垂直分量都存在，波具有椭圆极化性。

圆极化包含右旋圆极化和左旋圆极化。圆极化波由与透射波相反的球形雨滴反射。在接收时，天线会排斥与圆极化方向相反的波，从而最大限度地减少对雨滴的探测。

由于飞机目标与雨不同，它不是球形的，所以目标的反射在原始极化意义上具有重要的分量。因此，相对于雨滴目标，目标信号的强度会增强。

为了最大限度地吸收来自电磁场的能量，接收天线必须位于同一极化面。如果使用极化方向不同的天线，会产生相当大的损耗，实际损耗在20至30分贝之间。

在强空气杂波出现时，空中交通管制员倾向于打开圆极化天线。在这种情况下，空气杂波对目标的隐藏效果会降低。

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