·205·第6章 反射面天线第6章 反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言 天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。
相控阵天线的内容参见第7章波束扫描与目标跟踪由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到这就是警戒雷达或搜索雷达的功能有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能测高大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束这些波束在水平方向同样窄，但垂直堆积接收波束可以用两个相邻的交叠波束测量回波振幅来确定目标的仰角天线的分类雷达天线可以分为两大类，光学天线和阵列天线顾名思义，光学天线是基于光学原理的，它包含两个子类，即反射面天线和透镜天线反射面天线仍然广泛应用于雷达中，而透镜天线虽然仍用于一些通信和电子战（EW）场合，但已经不再用于现代雷达系统中为了减少篇幅，透镜天线将不在本书中详细讨论。
但第一版中关于透镜天线的参考资料仍保留在本章末的参考资料中6.2 基本原理和参量本节简述天线的基本原理，着重介绍对雷达系统设计师有用的术语的定义为了给雷达系统选择最佳类型的天线，系统设计师应该对将要选择的各种类型天线的基本性能特征有清楚的认识[1]，包括反射面天线（在本章讨论）和相控阵天线（在第7章讨论）之间的选择，还有用相控阵列馈电的反射面天线虽然本章着重讨论反射面天线，但是本节讨论的许多基本原理适用于所有的天线对任何天线，必须考虑的三个基本参量包括：· 增益（和有效孔径）· 辐射方向图（包括波束宽度、副瓣）· 阻抗（电压驻波比或VSWR）其他的基本考虑还有互易性和极化，它们将在本节做简要介绍互易性大多数雷达系统都采用一副天线，既用于发射，又用于接收，而且大部分这样的天线都是互易性设备，其含义是它们的性能参量（增益、方向图、阻抗）在两种工作方式下是一样的这一互易性原理[2]允许天线既可以看成是发射设备，又可看成是接收设备，由具体讨论时哪个更方便而定这也允许在任何一种工作方式下测试天线（参见6.10节）非互易雷达天线的例子是使用了非互易的铁氧体元件的相控阵天线，收发模块中含放大器的有源阵列天线和3D（距离、方位和仰角）雷达的测高天线。
后者的代表是AN/TPS—43雷达[3]，它在接收时采用在仰角上堆积的几个交叠波束，在发射时采用一个宽仰角波束在水平方向上波束都一样窄必须分别测试这些非互易天线的发射特性和接收特性增益、方向性系数和有效孔径术语天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力天线增益的两个不同却相关的定义是，方向增益和功率增益前者通常称做方向性系数，后者常称为增益清楚地理解两者之间的区别是非常重要的方向性系数（方向性增益）定义为最大辐射强度（每立体弧度内的瓦数）与平均辐射强度之比，即 （6.1）也可以用远场距离R处的最大辐射功率密度（每平方米的瓦数）与同一距离上的平均密度之比表示，即 （6.2）因此，方向性系数定义就是指，实际的最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的功率密度强多少倍注意，这个定义不包含天线中的耗散损耗，只与辐射功率的集中有关增益（功率增益）包含天线的损耗，并且用天线输入端收到的功率P0来定义，而不用辐射功率Pt，即 （6.3）对于实际的（非理想的）天线，辐射功率Pt等于收到功率P0乘以天线辐射效率因子h， （6.4）例如，若一个典型天线的耗散损耗为1.0 dB，则，即输入功率的79%被辐射。
其余部分或21%，被转化为热能对反射面天线，大部分的损耗都发生在连接到馈源的传输线上，并能够做到小于1 dB比较式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系数之间有如下的简单关系： （6.5）因此，除理想无耗天线（h=1.0, G=GD）外，天线增益总是小于方向性系数方向性系数-波束宽度间的近似关系天线方向性系数与波束宽度间有如下近似的且非常有用的关系（参见2.3节）： （6.6）式中，Baz和Bel分别为主平面内的方位和俯仰半功率波束宽度（单位为°）这一关系与方向性系数为46 dB的1°×1°笔形波束等价由这一基本组合，其他天线的近似方向性系数可以很快求出，例如，与1°×2°波束对应的方向性系数是43 dB，因为波束宽度加倍对应的方向性系数下降3 dB类似地，2°×2°波束对应40 dB，1°×10°波束对应36 dB的方向性系数，依次类推将每次波束宽度的变化都转换成分贝，方向性系数也做相应的调整但这一关系不适用于赋形（如余割平方）波束。
有效孔径天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的对面积为A，工作波长为l的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为 （6.7）上式表示孔径A可提供的最大增益，并意味着天线有理想的同相位、等振幅的分布为了减小方向图的副瓣，天线通常并不是均匀照射，而是渐变照射（孔径中心最大，边缘较小）的这时，天线的方向性增益比式（6.7）给出的要小，即 （6.8）式中，Ae 是天线的有效孔径或捕获面积，等于几何孔径与一个小于1的因子ra（称为孔径效率）的乘积： （6.9）最好将孔径效率称为孔径效能，因为它不包括转化为热能的RF功率，也就是说，它不含耗散效应，而只是给定孔径被利用的有效程度的量度比如说，孔径效率为50%（ra=0.5）的天线比均匀照射孔径的增益低3 dB，但并不是耗散了一半的功率有效孔径表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益。
有效孔径是一个面积，与入射功率密度相乘后可给出天线的接收功率： （6.10）辐射方向图电磁能在三维角空间中的分布表示成相对（归一化）基础上的曲线时，称为天线辐射方向图这种分布可用各种方式绘制成曲线，如极坐标或直角坐标、电压强度或功率密度、单位立体角内功率（辐射强度）等图6.1所示为典型的圆孔径天线的方向图，该图将等距离上的对数功率密度（垂直坐标用分贝计）与方位角和俯仰角的关系绘制在直角坐标系中方向图的主瓣（或主波束）是笔形波束（圆截面），四周是较小的瓣，通常称为副瓣角坐标的原点取在主瓣峰值方向，通常称为天线的电基准轴电基准轴可与天线的机械轴（即对称轴，有时称为视轴）重合，也可以不重合若两者不重合（常常是无意的），其角度差称为视轴误差，在测量目标方向时必须考虑这种误差图6.1（a）所示为天线方向图的三维特性，以这种形式绘制方向图需要大量的数据同样的数据也能够绘制成等功率电平轮廓线图，如图6.1（c）所示这些轮廓线图是一系列水平面与三维方向图在不同的功率电平处的交线，对显示功率的角空间分布是很有用的在大多数情况下，用二维方向图就足够了，且测量和绘制起来比较方便。
例如，如果将图6.1（a）的方向图与通过波束峰值和0°方位的垂直面相截，则得到方向图的二维切片或“切割”，称为主平面垂直方向图，如图6.1（b）所示用与第一个平面垂直或正交的平面（含峰值和0°仰角）做类似的切割，得到所谓的方位方向图，它也是一个主平面截面，因为其中包含波束峰值，也包含一个角坐标轴这些主平面有时也称为基本平面其他通过波束峰值的所有垂直平面则称为基本间平面为了描述天线的方向性能，有时需要测量和绘制±45°基本间平面内的方向图，然而对于大多数情形只需绘制方位和俯仰方向图就足够了，或者说用两个包含波束轴的平面切割对三维方向图采样就足够了（且经济得多）术语方位和俯仰意味着以地面为参考坐标，这并不总是可行的，尤其是对机载或天基（星基）系统通常，天线的更通用的一对主平面是线性极化天线的所谓E面和H面其中，E面方向图是包含天线辐射的E场（电矢量）方向的主平面，由于H面与之正交，故包含H场（磁矢量）方向这两个主平面不依赖基于地面的方向（如方位和俯仰），故被广泛应用图6.1 典型的笔形波束方向图：（a）整个方向图的三维直角坐标曲面图；（b）主平面垂直方向图； （c）等强度（等照射）线（由美国海军研究实验室的D. Dhoward提供）应该注意的是，对三维方向图的采样不限于上述平面切割。
从测量技术的观点看，有时取锥形切割是有意义且方便的，也就是用以天线的电轴（或机械轴）为中心取不同角宽度的角锥来截三维方向图图6.1（b）中所示的典型的二维方向图常常绘制在直角坐标系中，垂直轴用分贝表示至今，这是绘制方向图时最广泛采用的形式，因为它清楚地提供方向图的细节，并具有很宽的电平动态范围但是，也有用其他形式的，如图6.2所示图中示出同一(sinx)/x方向图的4种形式：（a）相对电压（强度）的极坐标曲线；（b）电压的直角坐标曲线；（c）相对功率（密度）的直角坐标曲线；（d）对数功率（用分贝表示）的直角坐标曲线图6.2（a）、（b）和（c）中的线性电压和功率刻度不适合显示方向图中的低电平细节，而图6.2（d）便于“看清”整个方向图当然，极坐标方向图也能够在径向用分贝绘制，但是，低电平细节被压缩在方向图的中心附近使可视性很差图6.2说明常采用直角坐标分贝方向图的原因波束宽度天线方向图的主要特征之一是主瓣的波束宽度，即它的角宽度由于主瓣是连续函数，它的宽度从峰值到零点（或最小点）是不一样的最频繁使用的是半功率波束宽度（HPBW），在图6.2（a）和（b）中，它出现在0.707相。