深度解析天線功能和特性

1、天線功能

天線用來發(fā)射或接收電磁波，是雷達(dá)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一。它具有以下基本功能：

將發(fā)射端能量以所需的分布和效率轉(zhuǎn)換成空間信號(hào)。這一過程以同樣的方式應(yīng)用于接收端。

信號(hào)在空間中具有一定的模式。一般來說，方位角需足夠窄，以提供所需的方位角分辨率和目標(biāo)位置更新所需的頻率。當(dāng)天線掃描方式為機(jī)械掃描時(shí)，這就等效為轉(zhuǎn)速?？紤]到雷達(dá)天線在一定頻率波段需要有尺寸巨大和重量可達(dá)數(shù)噸的反射器，高轉(zhuǎn)速可能帶來一個(gè)重要的機(jī)械問題。

高精度的測(cè)向。

天線結(jié)構(gòu)必須保證天線在任何環(huán)境條件下保持工作。通常在相對(duì)惡劣的環(huán)境條件下使用天線罩來保護(hù)天線。

雷達(dá)的基本性能與天線面積或孔徑和平均發(fā)射功率的乘積成正比。因此，在天線上的投入可以為系統(tǒng)性能方面帶來顯著的效果。

考慮到這些功能和雷達(dá)天線所需的效率，通常采用兩種方式：

1）拋物面碟形天線

2）陣列天線

2、天線特性

2.1天線增益

當(dāng)天線單獨(dú)用作發(fā)射或接收用途時(shí)，天線增益是一個(gè)重要的特性。

有些天線的輻射源向各個(gè)方向均勻地輻射能量，這種輻射稱為各向同性輻射。我們都知道太陽向四面八方輻射能量。從太陽輻射出來的能量在任何固定的距離和任何角度測(cè)量都是近似相同的。

假設(shè)一個(gè)測(cè)量裝置繞著太陽移動(dòng)，并停在圖中所示的點(diǎn)上，以測(cè)量輻射量。在圓的任何一點(diǎn)上，從測(cè)量裝置到太陽的距離是相同的。測(cè)得的輻射也將是相同的。因此，太陽被認(rèn)為是一個(gè)各向同性的輻射體。

2.2天線方向圖

大多數(shù)輻射器朝一個(gè)方向的輻射比朝另一個(gè)方向輻射強(qiáng)。像這樣的輻射體稱為各向異性輻射體。然而，采用一種標(biāo)準(zhǔn)方法標(biāo)記輻射源周圍的輻射，這樣就可以很容易地將一種輻射方向圖與另一種進(jìn)行比較。

從天線輻射出來的能量形成一個(gè)具有一定輻射圖樣的場(chǎng)。輻射圖是一種繪制天線輻射能量的方法。這種能量是在與天線保持恒定距離的不同角度測(cè)量的。這種圖案的形狀取決于所使用的天線類型。

要繪制這種方向圖，通常使用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)兩種不同類型的圖。極坐標(biāo)圖已被證明在研究輻射圖中有很大的用途。在極坐標(biāo)圖中，點(diǎn)是通過沿旋轉(zhuǎn)軸（半徑）投影到與幾個(gè)同心等間距圓中的一個(gè)交點(diǎn)上而定位的。實(shí)測(cè)輻射的極坐標(biāo)圖如圖3所示。

極坐標(biāo)系下的方向圖

主瓣，圍繞最大輻射方向的區(qū)域（通常是主波峰值3dB以內(nèi)的區(qū)域）。圖3的主波方向是向北的。

旁瓣，遠(yuǎn)離主瓣的較小的瓣。這些旁瓣通常是輻射在不希望的方向，永遠(yuǎn)不能完全消除。旁瓣電平是表征輻射模式的一個(gè)重要參數(shù)

后瓣，這是與主波束方向相反的輻射的一部分。

直角坐下天線方向圖

圖4中的圖顯示了在直角坐標(biāo)圖中，點(diǎn)是通過從一對(duì)靜止的垂直坐標(biāo)軸上反射來定位的。直角坐標(biāo)圖上的橫軸對(duì)應(yīng)于極坐標(biāo)圖上的圓。直角坐標(biāo)圖上的縱軸對(duì)應(yīng)于極坐標(biāo)圖上的旋轉(zhuǎn)軸（半徑）。圖中的測(cè)量尺度可以有線性長度，也可以有對(duì)數(shù)長度。

從繪制的天線方向圖中，可以得到天線的一些重要特性：

前后比，方向性天線前后功率增益的比值（圖4中180度旁瓣的值：34分貝）

旁瓣比，遠(yuǎn)離主瓣的旁瓣的最大值。（在圖4中，副瓣的值，大約+6度：20分貝）

為了方便分析天線模式，使用了以下術(shù)語：

波束寬度

天線圖案的角度范圍，其中以至少一半的最大功率發(fā)射被描述為一個(gè)“波束”。因此，這個(gè)主瓣的邊界點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)在范圍內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)下降到3dB左右的點(diǎn)。然后，這個(gè)點(diǎn)被描述為波束寬度或孔徑角或半功率（-3dB）角——用符號(hào)θ（或者φ）表示。波束寬度θ正是圖5中兩個(gè)黑色標(biāo)記的功率級(jí)之間的夾角。角度θ可以在方位面用θAZ表示，也可以在俯仰面用θEL表示。

孔徑

各向同性輻射體將球體表面的所有能量分散。在給定的距離內(nèi)，功率有一個(gè)確定的密度。指向性天線將能量集中在較小的區(qū)域，功率密度比全向同性輻射體高。功率密度也可以表示為單位面積的功率。所接收的功率可與相關(guān)表面進(jìn)行比較。這個(gè)區(qū)域叫做有效孔徑。

天線的有效孔徑是指所接收或輻射信號(hào)的表面積。它是決定天線性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。天線增益與有效面積的關(guān)系如下：

孔徑效率取決于波穿過孔徑的分布。如果分布是線性的，那么Ka=1。這種高效率會(huì)被相對(duì)較高的旁瓣抵消。因此，天線實(shí)際是具有旁瓣的，天線孔徑效率小于1（Ae《A）。

主瓣和旁瓣

上圖顯示的模式中輻射集中在幾個(gè)波瓣。一個(gè)瓣的輻射強(qiáng)度比另一個(gè)瓣的強(qiáng)得多。最強(qiáng)的瓣叫做主瓣；其他的是旁瓣。由于與陣列相關(guān)的復(fù)雜輻射模式常常包含幾個(gè)不同強(qiáng)度的波瓣，因此應(yīng)該使用適當(dāng)?shù)男g(shù)語。一般來說，主瓣是那些產(chǎn)生最多輻射的瓣。旁瓣是輻射強(qiáng)度最小的瓣。

前后比

前后比是定向天線前后功率增益的比值。有時(shí)不會(huì)出現(xiàn)與主瓣完全相反的波瓣。在本例中，前后比為主瓣反方向上±10~±30度范圍內(nèi)最大的旁瓣。高前后比是可取的，因?yàn)檫@意味著在不需要的方向上輻射的能量最少。

2.3極化

天線的輻射場(chǎng)由電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。這些場(chǎng)總是成直角。電場(chǎng)決定了波的偏振方向。當(dāng)一個(gè)線天線從經(jīng)過的無線電波中提取能量時(shí)，當(dāng)天線方向與電場(chǎng)方向相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生最大的電場(chǎng)。

電場(chǎng)的振蕩可以是單向的（線性極化），或者電場(chǎng)的振蕩方向可以隨波的傳播而旋轉(zhuǎn)（圓極化或橢圓極化）。

偶極子的電場(chǎng)（藍(lán)色）和磁場(chǎng)（紅色）

線極化

垂直和水平安裝的接收天線分別接收垂直和水平極化波。由于天線無法接收極化不同的信號(hào)，因此，極化的變化會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)電平發(fā)生變化。主要采用兩種極化面：

在垂直極化波中，電場(chǎng)方向是垂直的。

在水平極化波中，電場(chǎng)方向是水平的。

線性極化可以接收所有平面的信號(hào)，但除了兩個(gè)極化正交的情況。當(dāng)用一個(gè)單線天線來接收無線電波時(shí)，當(dāng)電場(chǎng)方向一致時(shí)接收天線接收到的能量最大，因此垂直的天線用于高效接收垂直極化波，水平的天線用于接收水平極化波。

圓極化

圓極化是指每一次射頻能量循環(huán)時(shí)，電場(chǎng)都會(huì)360度旋轉(zhuǎn)。圓極化是由兩個(gè)90°移相接收器和兩個(gè)同時(shí)移動(dòng)90°的平面極化天線引起的。由于波的強(qiáng)度通常用電場(chǎng)強(qiáng)度（伏特、毫伏或每米微伏）來測(cè)量，所以選擇電場(chǎng)作為參考場(chǎng)。

在某些情況下，電場(chǎng)的方向不保持恒定。因此，波在空間中傳播時(shí)，磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)。在這些條件下，場(chǎng)的水平分量和垂直分量都存在，波具有橢圓極化性。

圓極化波

圓極化包含右旋圓極化和左旋圓極化。圓極化波由與透射波相反的球形雨滴反射。在接收時(shí)，天線會(huì)排斥與圓極化方向相反的波，從而最大限度地減少對(duì)雨滴的探測(cè)。

由于飛機(jī)目標(biāo)與雨不同，它不是球形的，所以目標(biāo)的反射在原始極化意義上具有重要的分量。因此，相對(duì)于雨滴目標(biāo)，目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)。

為了最大限度地吸收來自電磁場(chǎng)的能量，接收天線必須位于同一極化面。如果使用極化方向不同的天線，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的損耗，實(shí)際損耗在20至30分貝之間。

在強(qiáng)空氣雜波出現(xiàn)時(shí)，空中交通管制員傾向于打開圓極化天線。在這種情況下，空氣雜波對(duì)目標(biāo)的隱藏效果會(huì)降低。
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