电子对抗原理-6-电扫描雷达(ppt文档).ppt

1 1第六章：电扫描雷达第六章：电扫描雷达 6.1 概述概述 6.2 相控阵雷达相控阵雷达 6.3 有源相控阵雷达有源相控阵雷达 6.4 移相器移相器 6.5 频率扫描雷达频率扫描雷达 6.6 数字波束形成（数字波束形成（DBF）2 26.1 概述概述 n 机械扫描：机械扫描：雷达在搜索目标时，需要不断改变波束的方向。雷达在搜索目标时，需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是改变波束方向的传统方法是机械机械转动天线，使波转动天线，使波束扫过一定的空域、地面或海面束扫过一定的空域、地面或海面。n 机械扫描存在什么问题？机械扫描存在什么问题？n 如何解决？如何解决？n 电扫描电扫描：利用电磁波的相干原理，通过控制天线各阵元利用电磁波的相干原理，通过控制天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向，同样可进电流相位的变化来改变波束的方向，同样可进行扫描。行扫描。3 3相控阵天线相控阵天线n“相控阵相控阵”即即“相位控制阵列相位控制阵列”，通过，通过控制相对控制相对相位相位，就可以控制辐射的方向；，就可以控制辐射的方向；n相控阵天线由许多辐射天线或单元按一定结构排列相控阵天线由许多辐射天线或单元按一定结构排列而成，其方向图的形状和指向由各单元上电流的相而成，其方向图的形状和指向由各单元上电流的相位和幅度决定；位和幅度决定；n 辐射单元可以是偶极子、开口波导或任何其它类辐射单元可以是偶极子、开口波导或任何其它类型的天线（微带天线、八木天线等）型的天线（微带天线、八木天线等）4 4电扫描雷达的特点电扫描雷达的特点n电扫描雷达主要形式：电扫描雷达主要形式：相位扫描雷达相位扫描雷达 频率扫描雷达频率扫描雷达 数字波束数字波束形成（形成（DBF）n与机械扫描雷达相比，电扫描雷达与机械扫描雷达相比，电扫描雷达天线无需机械转动即可实现对多目标的同时搜天线无需机械转动即可实现对多目标的同时搜索和跟踪索和跟踪波束扫描灵活、快捷，多目标跟踪能力强波束扫描灵活、快捷，多目标跟踪能力强抗干扰能力强抗干扰能力强 5 56.2 相控阵雷达相控阵雷达n 相控阵天线由许多辐射元组成，各单元之间以一相控阵天线由许多辐射元组成，各单元之间以一定的距离分开。通过对馈到各阵元上的信号的幅定的距离分开。通过对馈到各阵元上的信号的幅度和相位进行控制，使各单元作用的总和构成希度和相位进行控制，使各单元作用的总和构成希望的方向图；望的方向图；n 阵列天线阵列天线常用的两种形式是线阵列和面阵列（平常用的两种形式是线阵列和面阵列（平面、曲面）。面、曲面）。6 6线阵列天线示意图线阵列天线示意图 6.2.1 相控阵基本原理相控阵基本原理 7 7在与天线阵法线夹角为在与天线阵法线夹角为 的方向上，两个阵的方向上，两个阵元之间由波程差引起的相位差为元之间由波程差引起的相位差为为最大单边角度扫描范围为最大单边角度扫描范围 8 8N个阵元在个阵元在方向远区辐射场的矢量和为方向远区辐射场的矢量和为为单个阵元的方向性系数为单个阵元的方向性系数为阵列的方向性系数为阵列的方向性系数 9 9利用等比级数求和公式及欧拉公式求和得利用等比级数求和公式及欧拉公式求和得 1010将上式取绝对值并归一化，得阵列的方向函数为将上式取绝对值并归一化，得阵列的方向函数为考虑阵元的方向性考虑阵元的方向性式中式中 称为阵元因子称为阵元因子 1111阵列天线方向图阵列天线方向图 1212归一化辛格函数曲线归一化辛格函数曲线 副瓣太高，有什么坏处？如何降副瓣副瓣太高，有什么坏处？如何降副瓣？1313相位扫描原理示意图相位扫描原理示意图 1414偏离法线时的方向性函数为偏离法线时的方向性函数为 法线方向法线方向波束指向波束指向 1515由方向函数可得到以下几点结论：由方向函数可得到以下几点结论：n 在扫描平面内，随扫描波束离开法线方向，半功在扫描平面内，随扫描波束离开法线方向，半功率率主瓣宽度将变宽主瓣宽度将变宽，波瓣宽度近似与，波瓣宽度近似与 成正比；成正比；n 天线增益天线增益随随 的增大而减小。的增大而减小。1616由方向函数可得到以下几点结论由方向函数可得到以下几点结论：n栅瓣栅瓣随单元间距和随单元间距和 的增大而增大的增大而增大 1717方向图和增益测试方法方向图和增益测试方法 n 远场条件远场条件 1818方向图和增益测试方法方向图和增益测试方法 n 微波暗室：紧缩场测试微波暗室：紧缩场测试 19196.2.2 相控阵雷达的基本结构相控阵雷达的基本结构 按天线阵元是否有发射机，分成两种形式：按天线阵元是否有发射机，分成两种形式：1）无源相控阵列无源相控阵列，整个天线共用一个发射机；，整个天线共用一个发射机；2）有源相控阵列有源相控阵列，每个（或一组）天线阵元共，每个（或一组）天线阵元共用一个发射机和接收机（用一个发射机和接收机（T/R组件组件）。）。2020一种无源相控阵雷达框图一种无源相控阵雷达框图 2121无源相控阵天线无源相控阵天线 2222n 馈电网络馈电网络可以是功率分配（合成）器（称之为强可以是功率分配（合成）器（称之为强制馈电），也可以是喇叭和空气介质（称之为空制馈电），也可以是喇叭和空气介质（称之为空间馈电）；间馈电）；n 馈电网络具有射频波束形成的功能以实现无源相馈电网络具有射频波束形成的功能以实现无源相控阵雷达的多波束（例如控阵雷达的多波束（例如和波束和波束、差波束差波束）；）；n 由于这种相控阵雷达的天线面一般是由无源器件由于这种相控阵雷达的天线面一般是由无源器件构成的，因此称为构成的，因此称为无源相控阵雷达无源相控阵雷达。2323今后雷达的发展趋势今后雷达的发展趋势n 波束捷变波束捷变，意味着电扫描，意味着电扫描n 自适应自适应，趋向于数字设计，趋向于数字设计n 低截获概率低截获概率（LPI），对波形设计、天线设计），对波形设计、天线设计均有严格要求均有严格要求n 抗干扰抗干扰，意味着天线超低旁瓣，波束、频率、，意味着天线超低旁瓣，波束、频率、波形、波形、PRT捷变，自适应信号处理捷变，自适应信号处理n 高可靠性高可靠性，固态发射机，有源阵，固态发射机，有源阵n 有效成本，意味着组件可大批量生产有效成本，意味着组件可大批量生产 24246.3 有源相控阵雷达有源相控阵雷达n无源相控阵雷达有什么不足？无源相控阵雷达有什么不足？n有源相控阵雷达是相对无源相控阵雷达而言的。有源相控阵雷达是相对无源相控阵雷达而言的。特征是每一单元（或一组单元）接有一发射机特征是每一单元或一组单元）接有一发射机/接收机前端（即接收机前端（即T/R组件）。组件）。由于其天线阵包含了大量的有源部件，所以被由于其天线阵包含了大量的有源部件，所以被称之为有源相控阵雷达。称之为有源相控阵雷达。6.3.1 概述概述 2525AN/APG-79有源有源相控阵雷达相控阵雷达 2626子阵有源相控阵结构示意子阵有源相控阵结构示意 2727有源相控阵天线有源相控阵天线 28286.3.2 有源相控阵雷达的组成及特点有源相控阵雷达的组成及特点 2929 雷达发射、接收时雷达发射、接收时T/R组件中的移相器相位不变。组件中的移相器相位不变。在发射方向上的目标回波信号经天线单元接收后，在发射方向上的目标回波信号经天线单元接收后，由由T/R组件中的组件中的LNA放大并送子阵网络相加，相放大并送子阵网络相加，相加后的多通道信号送波束形成网络，形成和信号、加后的多通道信号送波束形成网络，形成和信号、方位差信号、仰角差信号，经三通道接收机放大方位差信号、仰角差信号，经三通道接收机放大变换送信号处理机进行检测，然后将目标信息通变换送信号处理机进行检测，然后将目标信息通过接口设备送计算机进行数据处理，形成目标轨过接口设备送计算机进行数据处理，形成目标轨迹在显示器上显示。迹在显示器上显示。雷达控制器根据雷达的功能和雷达目标环境自适雷达控制器根据雷达的功能和雷达目标环境自适应的控制雷达的工作方式（搜索和跟踪方式）应的控制雷达的工作方式（搜索和跟踪方式）和和波束指向波束指向。3030n 波束形成网络：波束形成网络：模拟模拟：简单可靠，但形成的波束固定，灵：简单可靠，但形成的波束固定，灵活性差，不容易实现多波束；活性差，不容易实现多波束；DBF（数字波束形成）：复杂、受信号带（数字波束形成）：复杂、受信号带宽限制，但形成的波束灵活可变，可自适应宽限制，但形成的波束灵活可变，可自适应处理。处理。3131有源相控阵雷达的特点有源相控阵雷达的特点 n发射机发射机效率高效率高n发射、接收发射、接收插入损耗低插入损耗低，探测距离远，探测距离远n可靠性高可靠性高n能能兼容阵列信号处理兼容阵列信号处理 n更更灵活的雷达资源管理灵活的雷达资源管理n但是：研制、调试复杂，成本高但是：研制、调试复杂，成本高 32326.3.3 有源相控阵雷达有源相控阵雷达的关键部件的关键部件T/R组件组件 33336.4 移相器移相器n 移相器应该能快速地改变相移移相器应该能快速地改变相移n 根据使用材料可分为：根据使用材料可分为：铁氧体移相器、铁氧体移相器、铁电陶瓷移相器、铁电陶瓷移相器、半导体二极管移相器、半导体二极管移相器、分子极化控制移相器等分子极化控制移相器等 34346.4.1 数字开关式移相器数字开关式移相器 n 改变相移量的最基本的方法是改变传输线改变相移量的最基本的方法是改变传输线 的长度的长度n 不同长度传输线间转接有两种基本形式：不同长度传输线间转接有两种基本形式：并联式并联式 级联式级联式 3535带有带有N个转接线的数字开关个转接线的数字开关并联式移相器并联式移相器 3636四比特数字开关级联式移相器四比特数字开关级联式移相器 3737中电集团中电集团13所产品所产品-集成数控移相器集成数控移相器 中心频率：中心频率：30120MHz 带宽：带宽：中心频率中心频率10%移相范围：移相范围：03608位数控，最小步进：位数控，最小步进：1.4最大输入功率最大输入功率 Po10dBm插损插损 3dB接口：接口：SMA，SIP插针插针电源电源:+5V，15V总电流总电流:100mA 38386.4.2 铁氧体移相器铁氧体移相器 铁氧体是一种磁性元件，外加激励脉冲电流时，铁氧体是一种磁性元件，外加激励脉冲电流时，它的磁化状态改变，从而在高频电路中得到所需它的磁化状态改变，从而在高频电路中得到所需要的相移量。要的相移量。39396.5 频率扫描雷达频率扫描雷达n 通过改变雷达的工作频率来实现波束扫描通过改变雷达的工作频率来实现波束扫描n 不是不是靠靠移相器移相器改变改变相位，相位，而是而是通过通过延迟线延迟线来产来产生相位差的生相位差的 4040串联馈电频扫线阵串联馈电频扫线阵 4141平面阵频率扫描天线平面阵频率扫描天线 4242相位相位频率扫描阵列频率扫描阵列 4343思考题思考题n频率扫描的优点是什么？频率扫描的优点是什么？n缺点是什么缺点是什么 44446.6 数字波束形成（数字波束形成（DBF）n波束形成是指在特定的方向上形成主瓣波束，波束形成是指在特定的方向上形成主瓣波束，接收有用信号并且抑制来自其它方向的干扰信接收有用信号并且抑制来自其它方向的干扰信号号n 波束形成方法：波束形成方法：模拟方法模拟方法，如射频或中频合成网络，形成，如射频或中频合成网络，形成 多波束复杂多波束复杂 数字方法数字方法（DBF），数字移相加权形成），数字移相加权形成 波束，可形成多波束（容易），可进行波束，可形成多波束（容易），可进行阵列阵列 信号处理信号处理 4545DBF系统的基本结构系统的基本结构 4646DBF天线阵组成天线阵组成天线阵列天线阵列 接收模块接收模块A/D变换器变换器 数字波束形成器数字波束形成器nDBF阵组成阵组成 4747DBF天线阵通道效正天线阵通道效正n 接收通道校正：接收通道校正：误差来源及校正误差来源及校正 4848DBF天线阵通道效正天线阵通道效正n天线测试和校正：天线测试和校正：误差来源及校正误差来源及校正 远场条件远场条件 被测天线被测天线辐射源辐射源相位残差相位残差 4949DBF几个概念几个概念n 方向的导向矢量方向的导向矢量n 方向的合成波束方向的合成波束分别为第分别为第i个个通道的复相修正系数和数据通道的复相修正系数和数据 5050DBF几个概念几个概念n 方向的合成波束（加权）方向的合成波束（加权）为加窗为加窗 5151DBF几个概念几个概念nDBF和机械扫描的结合和机械扫描的结合nDBF和相控阵的结合和相控阵的结合n能形成多少个波束？能形成多少个波束？5252DBF几个概念几个概念n DBF天线天线测角：和差比幅测角，或相邻测角：和差比幅测角，或相邻波束比幅测角波束比幅测角 5353自适应波束形成（自适应波束形成（ADBF）nADBF的作用：的作用：SMIn采样采样矩阵求逆矩阵求逆 SMI 5454 SMI处理前和波束处理前和波束 SMI处理处理后和波束后和波束 5555DBF雷达的特点雷达的特点n 自适应波束形成自适应波束形成n 能产生密集多波束能产生密集多波束n 方便实施阵列单元方向图校准方便实施阵列单元方向图校准n 易实现自校准和超低旁瓣易实现自校准和超低旁瓣n 可获得超角分辨力可获得超角分辨力n 便于进行灵活的时间管理便于进行灵活的时间管理n 适合于多站（基地）工作适合于多站（基地）工作