相控阵天线(相控阵天线的基本原理)

相控阵天线，相控阵天线的基本原理？

相控阵天线由多个在平面或任意曲面上按一定规律布置的天线单元（辐射单元）和信号功率分配/相加网络所组成。（以线阵为例）

阵内相移：等距线阵中相连单元之间的馈电相位差，ΔφB；

空间相移：相邻天线单元接收到来自θ方向信号的相位差；

当来波方向确定了之后，即空间相移已成定值。通过改变阵内相移，当阵内相移=空间相移时，最大波束指向来波方向，从而实现相控。

平面相控阵天线的栅瓣

计算栅瓣位置的作用（与一下问题相关）

天线单元排列方式；

单元间距选择；

最大波束指向角确定；

阵中天线单元方向图设计；

子阵划分和子阵数目确定；

栅瓣引起的副瓣电平；

允许栅瓣带来的能量损失大小；

栅瓣抑制方法

平面相控阵天线出现栅瓣的条件

平面阵可划分为行阵和列阵，二者出现栅瓣的条件均为 “空间相位差-阵内相位差=±p2π”, p=±1,±2,...

相控阵天线主要技术特点

天线波束快速扫描

天线波束形状的捷变能力

空间功率合成能力

天线与雷达平台共形能力

多波束形成能力

相控阵雷达的分散布置能力

为什么美国的盾舰雷达是六边形的？

的确伯克舰装备的SPY-1无源相控阵雷达和052D上装备的346A有源相控阵雷达都属于相控阵雷达体系，虽说对于具体性能表现如何并不得知，但是大家似乎对两款雷达天线的外形区别很感兴趣的，虽然都是相控阵雷达体制，但是一个雷达天线是四角矩形设计的，一个雷达天线则是八边形设计的。

首先说一下任何一款相控阵雷达不管是有源还是无源阵列的，其天线尺寸都是根据雷达波束宽度最窄时的宽度值和雷达副瓣电平决定的，而非是随意想要设计多大就设计多大的。换句话说我们知道相控阵雷达相比普通的多普勒雷达最大的区别就是拥有独立的收发单元组件（无源虽然共用一个发射器，但是接收器是独立的），特别对于有源相控阵雷达而言，发射器的数量和接收器的数量是相同的，所以根据使用收发单元组件数量的不同雷达天线虽然外形变换不一，但是雷达天线面积却是基本固定不变的。

其次雷达天线根据阵列单元排列架构不同可以分为：

1、线阵 也就是类似空警200、E737“楔尾”、爱立眼这类空中预警机所采用的平衡木雷达天线，其使用的是一般阵列架构和最基础的阵列信号处理技术，具有结构简单/成本低的优势，但是受限于收发阵列单元排序数量的限制，其探测性能也是最差的。

2、圆形阵 这就是伯克舰上装备的宙斯盾无源相控阵雷达天线采用的阵列单元排序架构，当初宙斯盾雷达选择这种近似圆形排列的八角形架构，最大的原因就是为了提升宙斯盾雷达同时兼具探测、制导等多种工作模式下较高的传输带宽需求，但是相控阵雷达的带宽大小取决于雷达天线阵列单元的排列架构、单元组件之间的间距、每个单元组歼的馈电电流幅度及相位等因素，又因为宙斯盾雷达属于无源工作体制，整个雷达天线虽然有很多接收器，但是发射雷达波的发射器却只有一套，所以为了保障任意一个距离发射器最远的接收器之间的传输带宽相同，研发人员将宙斯盾雷达天线设计成近似圆形设计，这样整个雷达天线边缘位置的接收器与对应一面的接收器距离是相等的，传输回的馈电信号也是相等的。

再一个我们知道雷达在工作的时候会有产生杂波的旁瓣出现，所以为了消除这些副瓣对主雷达天线的影响，就得想办法消除旁瓣，但是如果雷达天线每个阵列单元之间等间距不布置的话，那么根据相位借移也是可以尽可能消除旁瓣杂波的。

3、面阵 我国的052D采用的346A有源相控阵雷达就是这种面阵形式的阵列单元排序架构，因为346A雷达天线每个阵列单元都有独立的发射器和接收器，不用像宙斯盾雷达一样共用一个发射器，也就没有阵列单元带宽会随着收发器间距等原因限制，所以在每个收发单元的组网模式上采用的是自适应阵列方式，这样雷达阵列单元的排序就可以根据自身需求随意排序了。当然大家也都知道相控阵雷达虽然探测距离很远，特别是有源相控阵雷达最远探测距离直接和收发器阵列单元数量有关，而且雷达在工作的时候发热量也比无源相控阵雷达天线更大，所以基于多增加收发阵列单元数量和冷却效率角度出发，346A雷达天线因为没有了阵列单元排序限制，所以采用了阵列单元利用效率更高的矩形排列布置。

4、共面阵 共面阵雷达天线技术就是指将雷达探测/制导/火控/指挥等舰上所有雷达集中在一部雷达天线上，这种雷达技术虽然先进，但是因为其对于多种不同雷达波段需要更为复杂的乱码数字信号处理技术有很高的要求，所以至今也只有几个战机机载有源像相控阵雷达出现，大型军舰用的还未有面世。

当然对于陆基大型战略预警雷达而言，还是类似宙斯盾这种近似圆形排序架构利用率是最高的，因为这类雷达没有军舰上对于供电功率的限制，也没有雷达天线体积、重量、重心高度等限制，所以为了探测距离更远的同时，借助每个收发器与之对应点的收发器距离相同的优点，来提升大型陆基战略预警雷达的探测精度，所以我们看到很多陆基大型战略雷达天线排序都是近似圆形架构。

军舰的三坐标顶板雷达为什么是斜着挂？

其实俄罗斯海军现代级驱逐舰和印度海军什瓦里克级护卫舰以及我国海军052B驱逐舰上斜着挂的三坐标雷达叫做“顶板”，而我国054A级护卫舰上面的则是自行研发导弹382雷达，而051B型驱逐舰167号后桅杆安装的则是381甲型雷达。

无论是顶板雷达也好，381甲/382雷达也罢，斜着安装主要有“使雷达的辐射波束在空间呈对角线交叉，在每个仰角上停留的时间更长，以获得更好的探测概率，同时探测范围也更广。其次，补偿因天线的旋转造成的空窗期 。另外，最为重要的一点就是，可以减少海面水平极化的干扰。”

减少海面水平极化干扰

众所周知，舰艇雷达发射出的波束也会照射到海平面上，由于海平面并非是一成不变的，而是随风起浪。当雷达波照射到这些时起时伏的波浪时，就会形成无数方向的反射，这也就是雷达波照射到海面时形成的杂波。如果说，雷达还是方方正正的安装，那么照射到海面时返回的杂波就太多了。采用倾斜对角安装的雷达，发射出的雷达波形状是菱形的，照射到海平面时，不会像矩形波束那样一次反射回去，而是由菱形的下面那个角处的波束最先照射到海面上，也就是减少了雷达波与海平面的接触量，以减少海面水平极化干扰。

由于现在的反舰导弹采用了超低空掠海飞行，雷达想要在杂波中发现来袭的反舰导弹也不是那么容易的。舰艇上面的雷达倾斜安装也可以有效的探测来袭的反舰导弹，以尽早组织有效的防御。

增大探测范围

同样一个矩形，当其平放时在空间扫过面积并没有立起来时扫过的面积大，舰艇上的雷达呈斜对角安装，也是这个道理。两个雷达天线背对背安装，也可以提升扫描频率。可以说，背对背安装的双面阵雷达，是继四面阵相控阵雷达之后，扫描频率最快的雷达安装方式了。这要比欧洲普遍采用的单面阵快了一倍，更新频率也快了一倍。

上面也说了，054A型护卫舰的雷达并不是俄制顶板，而是我国自研的382型。该雷达的拥有2部发射机，每部发射机的功率为100KW，要高于052B驱逐舰上顶板雷达的90KW。382雷达的探测距离超过250千米，可以探测100个目标，并同时处理20个目标。另外，382雷达采用了“S”波段和“C”波段，两个波段的雷达波可以有效的提升抗干扰能力。可以说，俄罗斯和我国的舰艇设计者，用最简单的方法解决了最困难的杂波问题。只不过，这样的安装方式，比较适合护卫舰，对于吨位更大的驱逐舰来说，还是天线呈四面阵的相控阵雷达更为合适，毕竟这种方式，雷达天线不用旋转，一直在探测目标。(图片来自网络)

有源相控阵雷达的天线阵列为什么要装成板状？

首先，什么叫有源相控阵雷达，为什么要做成板状的？

很多人都看到过传统的机械式雷达，就是下图中这个正在转动的物体，因为雷达往往只能够探测一条直线上的物体，所以为了探寻到更广阔的区域，就只能够让雷达本身动起来。

而下图就是传统的机械式扫描雷达的观测屏幕，其中有一条不断扫描的线，这就是正在旋转的雷达，雷达照射到哪里，这个方向上的物体才能够显示出来。

而这样的机械式扫描雷达有几个缺点：1，转速跟不上。一旦一个物体飞的比雷达转的快，那么在雷达探测显示屏上就看不到这个物体。2，小雷达转起来还行，几层楼那么大的雷达怎么让他转起来？3，既然转起来了，就要留有很大的空间才行，在飞机上可以说是寸土寸金，不可能有这么大的空间。

所以工程师们就发明出来了“相控阵”雷达系统，学名叫做“电子扫描阵列雷达”。这个系统说起来原理就复杂了，但是最通俗的说，这个系统不需要一个旋转的机械结构来实现广范围的探测。但是没有机械结构旋转，怎么能够探测不同方向的物体呢？

我们知道，雷达是通过电磁波的反射来获得物体的位置信息的，电磁波实际上是一种在空间中强弱交替前进的波【如下图所示】，为了方便理解，我们可以把它想象成一道在水面上不断荡漾的涟漪。

而如果不同的涟漪碰到一起，就有可能产生不一样的现象。而有源相控阵雷达就是运用了这个原理。通过很多个“小雷达”发出来“相位”不同的电磁波，而让最后总的雷达波显示出来有一定方向的总体效果。如下图所示，就是相控阵雷达的原理图，可以整个系统是从最下面那个小雷达开始，依次发射电磁波的，最后形成的效果就是整体的电磁波形成了一个“平面”，这个平面式朝着一定的方向前进的。通过电路控制小雷达依次发射的时间间隔，可以改变这个平面前进的角度，从而快速变换电磁波的发射方向。

这就是所谓的有源相控阵雷达。因为避免了机械旋转式的缺点，有源相控阵可以做的非常大，而且扫描速度很快。如下图所示，就是著名的铺路爪雷达，看到雷达下面的汽车了吗？这个雷达真的可以有好几层楼那么高。

但是为什么有源相控阵雷达大部分情况是把这些小雷达安装在一个平板上的呢？

首先是精度的原因。根据刚刚的原理我们可以知道，相控阵雷达上的很多个小雷达必须要有非常精密的配合才可以起到良好的探测效果，所以如果是安装在一个曲面上，很难控制这些小雷达之间的位置关系——就是一不小心就装歪了，那么肯定会影响雷达的效果。

另外一个是控制的问题，如果这些小雷达是安装在一个平面上，那么很容易就发射出来一条平面上的“波面”，只要保证小雷达发射的时间间隔一定就行了。但是如果在一个曲面上，就没有那么容易了，中间的控制非常复杂，更难设计。

但是，这不代表现在就没有曲面的相控阵雷达，比如说下图就是我军研制的圆柱形的“圆柱阵相控阵雷达”，非常不容易。

这种不安全按照一个平面放置小雷达的相控阵雷达叫做“共形阵相控阵雷达”，这样的雷达是雷达发展的趋势，因为这种雷达探测范围更广、空间利用效率更高。