第5章相控阵雷达

1、第四章小结第四章小结1.雷达距离分辨率与雷达信号带宽 雷达信号TB积的概念 普通脉冲雷达信号的时宽(T)带宽(B)积是一个常量(约为1)，矩形脉冲的带宽是时宽的倒数。 要增加带宽只有减小脉冲时宽一条道。要进一步减小时宽有一定的难度。要有足够大的作用距离就要有足够大的平均功率。因此，减小脉宽就得增加脉冲功率。现在的峰值功率已经非常大，给设备的耐压，防止高压打火，体积和重量提出了高要求。2.脉冲压缩 产生一个这样的脉冲，它的TB积远大于1，一般在20100之间。作用距离以T为标准，距离分辨率以B为标准，两者兼顾。3.雷达距离分辨率：Bcr24.压缩比D5.脉冲压缩的优点：时宽带宽互相基本独立，可选

2、择较宽的脉冲宽度，有较大的作用距离。有较高的距离分辨率。有较好的抗干扰能力。脉冲压缩的缺点：由于加大了“T”，最小作用距离增加了。信号处理复杂。存在距离旁瓣存在一定的测距模糊和测速模糊。TBBTD/16.脉冲压缩的实现：发射脉冲应按一定规则编码，以获得较大带宽。接收机中应有一个压缩网络，脉冲压缩网络实际上是一个匹配滤波器。脉冲压缩常用的四种7.调制方式：线性调频脉冲压缩非线性调频相位编码脉冲压缩时间频率编码脉冲压缩调制类型带宽分辨率伪随机二进制序列比特率1/比特率线性调频扫描|f2-f1|1/|f2-f1|非线性调频扫描|f2-f1|1/|f2-f1|噪声B1/B8.能够进行脉冲压缩的波形：9

3、.脉冲压缩原理: 设信号函数为s(t),对应的匹配滤波器的冲激响应为： h(t)=s*(t0-t) 经过匹配滤波器的输出信号y(t)为： 当t=t0时，y(t)达到最大，实现了脉冲压缩。dttssthtsty)()()(*)()(0*10.线性调频脉冲压缩线性调频脉冲压缩 线性调频信号为线性调频信号为式中幅度已经归一化，f0中心频率，T为脉冲宽度，B为带宽。其零中频信号为：11.失配加权失配加权 线性调频信号的包络是一个矩形，其经过频谱滤波器输出信号的包络为sinc函数。见p124图4.13。最大副瓣为13分贝。在实际应用中，要求副瓣电平低于30dB至45dB。 2t Re220TetsttT

4、Bfj 2t 2TetstTBj 2t 2TethtTBj海明函数为：加权以后的失配滤波器的冲激响应为： 海明加权以后，失配将导致主瓣信噪比增益下降，主瓣宽度增加等。12.压缩滤波器压缩滤波器 匹配滤波器可用数字方法实现，结果就是一个横向滤波器。线性调频信号还可以在频域进行压缩。2t )(cos92. 008. 0)(2TTttw)()()(0twttsth13.相位编码脉冲压缩相位编码脉冲压缩 线性调频信号是连续变化的编码信号。相位编码是离散型编码信号。 常用的按两个相位变化，在0o和180o两者之间编码，相位只取这两个值。主要有巴克码、M序列码、L序列码和互补编码等。巴克码见p142。 另

5、外，还有四相码，取0o, 90o, 180o, 270o四个相位点。相位编码脉冲压缩仍有副瓣抑制的问题。 四相码应用较少。习题：线性调频信号的带宽B为1MHz，时宽T为100s，零中频，t0=0。采样频率fs=B。1 画出线性调频信号实部和虚部的时域图形。2 画出线性调频信号的频谱图(FFT变换后取模，0频率在坐标中间)。3 画出无加权的脉冲压缩波形，计算最大副瓣电平，三分贝脉冲宽度。4 画出海明加权的脉冲压缩波形，计算最大副瓣电平，三分贝脉冲宽度。第五章第五章 相控阵雷达相控阵雷达5.1概述概述 相控阵： 相位可控的阵列。相控阵天线是由许多辐射单元排列组成的，每个单元的馈电相位均可灵活控制，

6、改变波阵面。 相控阵的概念很明确、很简单，但它与其他许多技术有关，研究较早，发展较慢。目前处于迅速发展、激烈变化的时期。相控阵采用的高技术： 计算机技术 固态技术 信号处理技术 光电子技术 新材料技术 以及器件、结构、工艺的发展相控阵雷达的特点：波束捷变多目标跟踪远作用距离高数据率自适应抗干扰快速识别目标高可靠性天线共形5.2相控阵列的基本原理相控阵列的基本原理 相控阵天线的阵元一般在100-10000个，每个阵元后接一个可控移相器。改变每个移相器的移相量就改变了阵元间的相对馈电相位，改变了天线辐射电磁波的波阵面指向。 ddddsin()图5.1阵列天线示意图波阵面 0 1 2 N-1 天线阵

7、元之间的间距为d，目标方位(不一定是波束指向)与天线阵面法矢量夹角为。相邻阵元回波相位差为，波程差为()，由波程差引起的相位差为：考虑远场情况(补充远场、近场的概念)，设N个天线阵元等间隔分布，等幅馈电，在方向某点辐射场矢量和：如果各阵元馈电相位差均为0，上式可用于研究阵列天线的方向图。假设0为波束指向，利用等比级数求和公式，欧拉公式和(5-1)，得归一化天线方向图(p154)：sin2d10)(NkjkeEE sinsinsinsindNdaNF Fa()称为阵列因子或阵因子。如果天线阵元不是向空间所有角度均匀辐射的，方向图为Fe()，阵列方向图变为：Fe()称为阵元因子。关于阵列天线的栅瓣

8、阵列因子图： eaFFF-/2 0 /2 3/2 2 图5-2阵列因子图主瓣 栅瓣 栅瓣 由图5-2可以看出，主瓣是我们感兴趣的，所有栅瓣应去掉。不出现栅瓣的条件： ，或d/1 结论：1. 阵元间距越大，阵元数越多，角度分辨率越高。2. 阵元间距过大，天线方向图将会出现副瓣。-/2 0 /2 3/2 2 图5-2阵列因子图主瓣 栅瓣 栅瓣sindsin2dNsind二、相控阵天线扫描二、相控阵天线扫描 在图5.3中，阵列天线馈电相位按0递减，则波束指向为0。改变0，就能实现相控阵扫描。馈电相位差与等价波程差关系：00sin2d0ddddsin(0)图5.3阵列天线扫描示意图波阵面ej0 e-j

9、0 e-j20 e-j(N-1)0主瓣方向此时，天线方向图为。 (5-7)无栅瓣的条件： 00sinsinsinsinsinsindNdaNF0sin11d结论：1 相控阵天线一维主瓣方向由阵元馈电相位差决定。2 当阵元间距d太大时，将出现与主瓣等幅度的栅瓣。有两个克服方法：限制阵元间距， 。限制阵元天线方向图，使阵元主瓣内不出现栅瓣。3 天线扫描时，0增大，波束要展宽。4 天线扫描时，0增大，天线增益要下降。 可以采用非均匀分布的阵列天线，见P156 表51。以上分析的是相控阵一维阵列天线分析，二维天线的分析方法相同。00sin2d0sin11d5.3相控阵雷达的组成相控阵雷达的组成相控阵雷

10、达的组成方案很多，根据是否有源可分为两类：1.有源相控阵列雷达每个天线阵元用一个接收机和发射功率放大器天线阵列发射接收阵列激励器数据处理波控计算机显示控制图5.4有源相控阵雷达框图 2.无源相控阵列雷达共用一个和几个接收机和发射功，其余与有源相控阵列雷达相同。！天线阵列移相阵列发射机数据处理，接收机波控计算机显示控制图5.5有源相控阵雷达框图5.4相位扫描系统的组成及工作原理相位扫描系统的组成及工作原理阵列组态阵列组态目前，相控阵天线的阵面大都为平面阵目前，相控阵天线的阵面大都为平面阵(p158)均匀排列若干辐射源均匀排列若干辐射源(阵元阵元)。常见的辐射源：。常见的辐射源：半波振子半波振子喇

11、叭口喇叭口缝隙振子缝隙振子微带偶极子微带偶极子移相器移相器1 二极管移相器二极管移相器这是一个这是一个4位移相器。步长为位移相器。步长为22.5o。 输入 22.5o 45o 90o 180o 输出图5.6 二极管移相器移相器由延迟线实现，22.5o采用十六分之一波长延迟线。因而，带宽有限。移相器还可以用电感、电容实现，或其他方式延迟线。二极管起一个开关的作用，加正向偏置导通，反向偏置截止。体积小，重量轻，开关时间短(50ns-2s)，驱动功率小，温度系数小，适用于固态集成电路。2铁氧体移相器铁氧体移相器结构如图5.7。其中，铁氧体上的线圈未画出。利用线圈对每段铁氧体独立充磁，改变各段磁化状态，从而改变波导中的相位移。速度慢、体积大、功率大 移相的量化误差。铁氧体(4段) 波导图5.7铁氧体移相器波束形成网络波束形成网络波束形成分发射波束形成、接收波束形成，一般指接收波束形成。射频波束形成中频波束形成数字波束形成多波束形成5.5有源相控阵雷达有源相控阵雷达 每个阵元有一个收发组件5.6相控阵雷达的有缺点及发展趋势相控阵雷达的有缺点及发展趋势特点：特点：p182有有8个特点个特点发展：战术相控阵和战略相控阵小结1.相控阵雷达的基本概念2.与相控阵雷达相关的技术3.相控阵雷达的特点4.阵因子和阵元因子5.远场和近场6.栅瓣和克服栅瓣的方法7.相控阵雷达扫描与角分辨率8.相控阵雷达