01

天線功能

天線用來發射或接收電磁波，是雷達系統中最關鍵的部件之一。它具有以下基本功能：

. 將發射端能量以所需的分佈和效率轉換成空間信號。這一過程以同樣的方式應用於接收端。

. 信號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位置更新所需的頻率。當天線掃描方式為機械掃描時，這就等效為轉速。考慮到雷達天線在一定頻率波段需要有尺寸巨大和重量可達數噸的反射器，高轉速可能帶來一個重要的機械問題。

. 高精度的測向。

天線結構必須保證天線在任何環境條件下保持工作。通常在相對惡劣的環境條件下使用天線罩來保護天線。

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

考慮到這些功能和雷達天線所需的效率，通常採用兩種方式：

• 拋物面碟形天線
• 陣列天線

02天線特性

2.1 天線增益

當天線單獨用作發射或接收用途時，天線增益是一個重要的特性。

圖1 各向同性輻射體的球形輻射

有些天線的輻射源向各個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量都是近似相同的。

假設一個測量裝置繞著太陽移動，並停在圖中所示的點上，以測量輻射量。在圓的任何一點上，從測量裝置到太陽的距離是相同的。測得的輻射也將是相同的。因此，太陽被認為是一個各向同性的輻射體。

圖2 偶極子天線的輻射圖

2.2天線方向圖

大多數輻射器朝一個方向的輻射比朝另一個方向輻射強。像這樣的輻射體稱為各向異性輻射體。然而，採用一種標準方法標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行比較。

從天線輻射出來的能量形成一個具有一定輻射圖樣的場。輻射圖是一種繪製天線輻射能量的方法。這種能量是在與天線保持恆定距離的不同角度測量的。這種圖案的形狀取決於所使用的天線類型。

要繪製這種方向圖，通常使用直角座標和極座標兩種不同類型的圖。極座標圖已被證明在研究輻射圖中有很大的用途。在極座標圖中，點是通過沿旋轉軸(半徑)投影到與幾個同心等間距圓中的一個交點上而定位的。實測輻射的極座標圖如圖3所示。

圖3 極座標系下的方向圖

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

. 旁瓣，遠離主瓣的較小的瓣。這些旁瓣通常是輻射在不希望的方向，永遠不能完全消除。旁瓣電平是表徵輻射模式的一個重要參數

. 後瓣，這是與主波束方向相反的輻射的一部分。

圖4 直角坐下天線方向圖

圖4中的圖顯示了在直角座標圖中，點是通過從一對靜止的垂直座標軸上反射來定位的。直角座標圖上的橫軸對應於極座標圖上的圓。直角座標圖上的縱軸對應於極座標圖上的旋轉軸(半徑)。圖中的測量尺度可以有線性長度，也可以有對數長度。

從繪製的天線方向圖中，可以得到天線的一些重要特性：

. 前後比，方向性天線前後功率增益的比值(圖4中180度旁瓣的值:34分貝)

. 旁瓣比，遠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，使用了以下術語：

波束寬度

天線圖案的角度範圍，其中以至少一半的最大功率發射被描述為一個“波束”。因此，這個主瓣的邊界點是場強在範圍內最大場強下降到3dB左右的點。然後，這個點被描述為波束寬度或孔徑角或半功率(-3dB)角——用符號θ(或者φ)表示。波束寬度θ正是圖5中兩個黑色標記的功率級之間的夾角。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，功率有一個確定的密度。指向性天線將能量集中在較小的區域，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表面進行比較。這個區域叫做有效孔徑。

天線的有效孔徑是指所接收或輻射信號的表面積。它是決定天線性能的一個關鍵參數。天線增益與有效面積的關係如下:

孔徑效率取決於波穿過孔徑的分佈。如果分佈是線性的，那麼Ka=1。這種高效率會被相對較高的旁瓣抵消。因此，天線實際是具有旁瓣的，天線孔徑效率小於1(Ae< A)。

主瓣和旁瓣

上圖顯示的模式中輻射集中在幾個波瓣。一個瓣的輻射強度比另一個瓣的強得多。最強的瓣叫做主瓣；其他的是旁瓣。由於與陣列相關的複雜輻射模式常常包含幾個不同強度的波瓣，因此應該使用適當的術語。一般來說，主瓣是那些產生最多輻射的瓣。旁瓣是輻射強度最小的瓣。

前後比

前後比是定向天線前後功率增益的比值。有時不會出現與主瓣完全相反的波瓣。在本例中，前後比為主瓣反方向上±10 ~±30度範圍內最大的旁瓣。高前後比是可取的，因為這意味著在不需要的方向上輻射的能量最少。

2.3極化

天線的輻射場由電場和磁場組成。這些場總是成直角。電場決定了波的偏振方向。當一個線天線從經過的無線電波中提取能量時，當天線方向與電場方向相同時，會產生最大的電場。

電場的振盪可以是單向的(線性極化)，或者電場的振盪方向可以隨波的傳播而旋轉(圓極化或橢圓極化)。

圖6 偶極子的電場（藍色）和磁場（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。由於天線無法接收極化不同的信號，因此，極化的變化會導致接收到的信號電平發生變化。主要採用兩種極化面：

• 在垂直極化波中，電場方向是垂直的。
• 在水平極化波中，電場方向是水平的。

線性極化可以接收所有平面的信號，但除了兩個極化正交的情況。當用一個單線天線來接收無線電波時,當電場方向一致時接收天線接收到的能量最大，因此垂直的天線用於高效接收垂直極化波,水平的天線用於接收水平極化波。

圓極化

圓極化是指每一次射頻能量循環時，電場都會360度旋轉。圓極化是由兩個90°移相接收器和兩個同時移動90°的平面極化天線引起的。由於波的強度通常用電場強度(伏特、毫伏或每米微伏)來測量，所以選擇電場作為參考場。

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

圖7 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，天線會排斥與圓極化方向相反的波，從而最大限度地減少對雨滴的探測。

由於飛機目標與雨不同，它不是球形的，所以目標的反射在原始極化意義上具有重要的分量。因此，相對於雨滴目標，目標信號的強度會增強。

為了最大限度地吸收來自電磁場的能量，接收天線必須位於同一極化面。如果使用極化方向不同的天線，會產生相當大的損耗，實際損耗在20至30分貝之間。

在強空氣雜波出現時，空中交通管制員傾向於打開圓極化天線。在這種情況下，空氣雜波對目標的隱藏效果會降低。

◆ ◆ ◆ ◆ ◆

天線基礎知識未完待續...需要英文原文的請給“雷達通信電子戰”微信公眾號發送“190817”或點擊“閱讀原文”查看更多專業知識。