第三章(雷达天线建模仿真)

nullnull雷达系统仿真与 性能评估张娟 jzhang@xidian.edu.cn 88202580教材： 《Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB 》 教材： 《Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB 》 null第一章：系统仿真技术 第二章：雷达发射机建模与仿真 第三章：雷达天线建模与仿真 第四章：雷达接收机建模与仿真 第五章：雷达回波建模与仿真 第六章：雷达信号处理建模与仿真 第七章：雷达数据处理建模与仿真 第八章：雷达系统建模与性能评估本课程内容安排null雷达天线的作用： 发射信号； 接收信号； 测量目标空间角度。null第三章：雷达天线建模与仿真1.1 雷达天线的原理 1.2 机械扫描天线 1.4 波束形成 1.3 相位扫描天线null雷达天线的基本作用:实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。 发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。 接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。 主要目的是提高雷达的作用距离，并精确测量目标的方向角。为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。1.1 雷达天线的基本原理null传输线终端张角传输线对称振子天线的定义 能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收空间某特定方向来的电磁波的装置。 天线的功能： 能量转换－导行波和自由空间波的转换； 定向辐射（接收）－具有一定的方向性。 测角天线的辐射原理：null根据C（光速）=f（频率）×λ（波长） 得出波长与频率成反比 频率越低，波长越长，天线越大半波振子半波振子是天线的基本辐射单元null小于半波长半波长大于半波长null半波振子null天线的方向性系数(增益)、功率增益G和有效孔径Ae是描述天线特性的三个指标。天线增益：天线将发射信号能量朝某一方向集中的能力。雷达辐射出去的信号能量在空间的电场强度分布用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，称为天线强度方向图。称为天线功率辐射方向图。null将“轮胎”压扁，信号就越集中，增益就越高，天线尺寸就越大。 增益、方向图和天线尺寸之关系null天线增益的几个要点： 天线是无源器件，不能产生能量。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。 天线的增益由振子叠加而产生。增益越高，天线长度越长。增益每提高3dB，天线体积变大一倍。 天线增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。null天线的方向性系数定义为最大辐射强度平均辐射强度null天线的辐射效率因子天线的功率增益天线的有效孔径天线的实际物理孔径辐射功率Pt等于收到功率P0乘以天线辐射效率因子， 天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的。对面积为Ae，工作波长为的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为 null因此，可以推导，天线波束在某个角度的截面等于天线波束宽度与天线的有效面积成反比， 减小，天线波束宽度增大。null对于空间监视雷达来说，对某个空域所需要的观测的波束数量为当监测区域V为整个半球面时天线辐射参数天线辐射参数天线波束方向图 主瓣； 副瓣； 波束宽度； 前后比； 交叉极化； 增益； 上旁瓣抑制； 下零点填充； 波束下倾角；null水平面垂直面天线方向图：电磁能在三维角空间中的分布表示成相对（归一化）基础上的曲线时，称为天线辐射方向图。这种分布可用各种方式绘制成曲线，如极坐标或直角坐标、电压强度或功率密度、单位立体角内功率（辐射强度）等 由三维辐射立体图转化成的二维平面图形，包括水平面方向图及垂直面方向图。nullnull天线辐射参数－波束宽度半功率（3 dB）波束宽度 十分之一功率（10 dB）波束宽度 零功率波束宽度半功率波束宽度也常用做天线的角度分辨力的量度。如果等距离处的两个目标能够通过波束分开，就说明这两个目标在角度上是可以分辨的。 null主瓣（主波束）区域以外，天线辐射方向图常常由大量较小的波瓣组成，其中靠近主波束的那些是副瓣。然而，通常的做法是将所有较小的波瓣统称为副瓣，其中靠近主波束的称为头几个副瓣。 天线辐射参数－旁瓣抑制、零点填充、波束下倾角发射方式时，副瓣表示辐射功率的浪费，也就是辐射照射到其他方向而不是预期的主波束方向；接收方式时，它们使能量从不希望的方向进入系统。例如，探测低空飞行目标的雷达能够通过副瓣接收到很强的地物回波（杂波），它能够掩盖低RCS目标通过主瓣进入的弱回波，同时，来自友方源的无意干扰信号（电磁干扰或EMI）和/或来自非友方源的有意干扰能够通过副瓣进入。因此，常常（但并不总是）将雷达天线的副瓣设计得尽可能低 null为了获得低副瓣，天线孔径的振幅分布必须设计成渐变的。对给定的天线增益，这意味着必须采用较大的天线孔径。反之，对给定的天线尺寸，较低的副瓣意味着较低的增益和相应较宽的波束宽度。考虑副瓣、增益和波束宽度间的最佳折中（权衡）对选择或设计雷达天线是重要的。 相对（峰值）副瓣电平，它定义为最大副瓣峰值电平与主瓣峰值电平之比 。平均副瓣电平（积分旁瓣）是一种功率平均, 通过对主瓣以外的所有副瓣的功率求积分，再表示成相对于各向同性天线的分贝值（dBi）而得到。 nullnullnull前后比是指扇形天线的前向辐射功率和后向辐射功率之比前后比(dB) = 10 log ，典型值约为25dB 目的是尽可能减少后向辐射功率天线辐射参数－前后比null前后比较差前后比较好null天线的极化方向定义为电磁波传播时电场（E场）矢量的方向。 线极化：任一固定观察点的E场的方向随时间而变化，电场矢量的端点随时间变化的轨迹为直线。 水平极化：电场平行于地面； 垂直极化：电场垂直于地面； 许多现有雷达的天线是线极化的，常常为垂直极化或水平极化 。天线辐射参数－极化null圆极化（CP）:在与传播方向垂直的固定平面内每RF周期描绘的轨迹是一个圆。 右旋圆极化（RHCP）电矢量相对于波离开观察点行进的方向呈顺时针方向旋转，左旋圆极化（LHCP）则按逆时针方向旋转。 RHCP和LHCP的这些定义能够用手说明：拇指指向传播方向，四指所握的方向即为E矢量旋转的方向。 椭圆极化（EP），它可看成是不完全的CP，其E场的轨迹是椭圆 由于互易性，设计成以某特定极化方式辐射的天线也能接收同样的极化。null无线电波振动的平面称为它的极化面null即一个单元中有两个天线 两个天线中的波是相互独立的双极化null其中， 为极化匹配因子， 为来波与接收天线的夹角。 天线辐射参数－极化极化匹配因子：雷达接收的信号的极化特性与天线的极化特性之间的匹配程度null极化纯度：精心设计的单一极化天线可能在某些方向（通常在偏离主波束的方向）辐射少量的与之正交的极化信号。 把期望的极化分量称为主极化； 不期望的极化分量称为交叉极化； 交叉极化比：主极化分量与交叉极化分量的功率比（dB差）。null天线辐射参数－交叉极化比null根据所观测的辐射电场距离天线口径的距离不同，可将电磁空间分为三个不同的区域： 近场区 菲涅尔（ Fresnel ）区 远场区 在近场区和Fresnel区，天线辐射的电磁波具有球面波前（又称等相位波前）； 在远场区，可近似认为电磁波为平面波。 一般来说，大多数的雷达系统都工作在远场区。近场和远场null电磁波辐射与场区的划分 (a) 感应近场 (b) 辐射近场 (c) 辐射远场 天线实际使用区域为辐射远场区 null球面波与近似平面波在接收天线处的相位差可以表示为距离的形式：null判为远场的条件远场条件与天线尺寸和电磁波波长有关。null1.2 机械扫描天线利用整个天线系统或其某一部分的机械运动来实现的波束扫描称为机械扫描。优点：简单； 缺点：机械运动惯性大，扫描速度不高。随着高机动、快速目标、洲际导弹、人造卫星等的出现， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 雷达采用高增益极窄波束，因此，天线口径面往往做的非常庞大，再加上波束扫描的速度很高，机械扫描无法满足需求，必须采用电扫描。nullnullnull1.3 相位扫描天线电扫描方式包括：相位扫描、频率扫描、和时间延迟方法。相位扫描方法一般在阵列天线上采用控制移相器相移量的方法改变各个阵元的激励相位，从而实现波束的电扫描。阵列天线：由两个或多个小的辐射单元构成的阵列。小的辐射单元可以是偶极子、波导裂缝、圆盘反射器等。null1.3.1 均匀线阵天线右图为N个阵元构成的一维直线移相器天线阵，阵元间距为d，各个阵元等幅同向馈电，对应的移相器的相移量为：null以#1阵元作为阵列的相位参考点 ，对于电场空间远场偏离阵列法线 的某个观测点来说，其合成场强为：由波程差引起的相对参考阵元的相位引前相邻阵元激励电流相位差null当 时，各个分量同向相加，场 强幅值最大。归一化方向性函数为：null时，即各阵元等幅同向馈电时，方向图 最大值在阵列法线方向（ ）。最大值方向（波束指向）发生偏移。波束指向null归一化的阵列功率方向图为：时，分子为0，若分母不为0，则方向图为0；当分子分母同为0时，则方向图为1；null对应的峰值为主瓣，其余称为栅瓣，栅瓣会产生角度模糊（多值性）。为了避免出现栅瓣null波束宽度零功率波束宽度：两零点之间的角度间隔。半功率波束宽度：两半功率点之间（幅度为0.707）的角度间隔。阵元数 阵元间距 波束指向 波长nullnullnullnull1.3.2 矩形面阵天线平面相控阵雷达天线的方向图函数可以看成两个线阵方向图的乘积。一部分是水平方向线阵的方向图，一部分是垂直方向线阵的方向图。 nullnull波束最大值指向水平和垂直方向阵元个数 水平和垂直方向的阵元间距 null天线扫描范围-60度~60度，波束指向为（4.5度，4.5度），阵元间距半波长，12*12nullnull1.3.3 阵列加权 为了降低天线方向图的旁瓣电平，可以对阵列进 行加权，如切比雪夫窗、汉明窗等。 加权能够降低天线副瓣，但会造成天线主瓣展宽。 等间距和等幅馈电的天线副瓣电平较大（-13dB）, 为了降低副瓣电平，可以采用“加权”的方法。振幅加权： 馈给中间阵元的功率大些，馈给周围阵元的功率小些。 null密度加权： 使得天线阵中心处的阵元数目多些，周围的阵元数目少些。 null1.4 波束形成不采用移相的方法，直接对每个阵元的接收数据进行加权，来实现阵列的导向。阵列在某个固定时间的快拍可表示为： null假定阵列导向的方向为 nullnull1.4 小结 天线的基本概念 机械扫描天线 相扫天线 波束形成