HFSS天线设计高级培训教程十三章单脉冲天线

引言 单脉冲雷达体制系统，主要用于高速目标的跟踪定位。如飞机、导弹、火箭、人造卫星的跟踪。单脉冲雷达系统中的天线称为单脉冲天线。单脉冲雷达天线要求产生一个主瓣的和波束，以及具有两个(或四个)主瓣的差波束，如下图13-1所示。差波束的两个峰值之间的最小值称为“零值”。和波束的作用是探测目标的距离(r)并行距离跟踪；差波束的作用是探测目标的方位角和俯仰角信息()并行角跟踪。一个目标的距离信息r和角信息已知，则目标的空间位置就确定了。如果目标正好在和波束最大值方向，则差波束接收到的信号很弱(为零值)；当目标移动时，则差波束接收到的信号由弱变强，则可利用差信号来驱动伺服机构，使天线在俯仰或方位上转动，始终使差波束的零值方向对准目标，从而实现跟踪。 图13-1单脉冲天线方向图 二、单脉冲天线组成。 在雷达应用中，单脉冲天线可采用阵列天线，也可采用反射面和单脉冲馈源组成。如果是后者，则馈源一般采用多个(4个)叭或者单口多模喇叭。形成差波束的关键是使用了比较器(和差器)。 三、分类。 根据比较回波信号的幅度和相位，单脉冲分为幅度单脉冲、相位单脉冲和幅相单脉冲，它们的主要区别在于天线。无论是幅度还是相位单脉冲，为了确定目标在某一平面的角度(方位、俯仰)，都要求同时产生两个形状相同的波束。这里只讨论幅度单脉冲(比幅)。 四、工作原理。 为了说明问题，先考虑一个平面(俯仰面)内单脉冲技术的工作原理。 当一个横向偏焦的喇叭，置于抛面焦点附近时天线将产生一个偏离天线轴的波瓣，其波束偏移角正比于偏焦距离。为了获得两个对称于天线轴，并有相同偏移角的波瓣，可用两个对称于天线轴的横向偏焦喇叭来完成，如图13-2所示。 若探测到一个目标，来自A方向，这时两波束收到的回波信号，相位相同，但幅度不等。两信号相减形成的差信号是目标方向的函数。这个差信号的大小，表示了目标偏离天线轴向角度的大小，差信号的正负，则表示目标偏向哪一边。由差信号驱动电机使天线转动而对准目标，则差信号为0。从而实现了跟踪。 一般的比幅单脉冲天线的馈源是由四个喇叭和比较电路构成的。假如上图为俯仰面的话，另两个喇叭则构成方位面。四喇叭馈源及比较器电路如图13-3所示。 图中，1，2，3，4表示四个喇叭组成的馈源。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ表示四个波导魔T，如图13-4所示，并以、、、分别表示四个喇叭接收到的回波信号幅度。表示和信号，表示方位差信号，表示俯仰差信号。 图13-4 魔T 根据魔T的工作特性，有： 和信号： (13.1) 方位差信号： (13.2) 俯仰差信号： (13.3) 还有一路差信号为交差信号无用，该差支路信号接匹配负载吸收。 注：魔T（双T）的工作特性： 结构如图13-5所示。 图13-5 魔T结构图 工作特性 接收时：当同频信号、由1口和2口输入时，3口输出为两信号的和值。所以3臂称为和臂；4臂输出两信号的差值，所以称为差臂。 发射时：信号由3臂输入，则1、2两臂输出等幅同相信号。此时4臂隔离，无输出。 即有“对臂隔离邻臂分”之特性。 由于馈源的每个喇叭收到的信号的大小与目标的距离和方向有关。因此，它们形成的和信号称为和方向图，差信号称为差方向图。包括方位差和俯仰差方向图。和差波束的作用前面都提到了。即： 差波束产生差信号，实现目标的跟踪； 和波束在发射时照射目标，接收时提供目标的距离信息。并给差信号提供相位参考。 单脉冲天线的分析，主要有两种方法： 次级波束加减法 口径场法 次级波束加减法：是把馈源分离成个单独的馈源。例如把四喇叭馈源看作四个馈源，每个喇叭各自产生偏轴的次级波束，然后把比较器的作用归结为对次级波束的直接相加和相减，从而得到单脉冲天线的和波束和两个差波束。 此法的优点是直观，对天线的工作原理来说物理概念明确。 口径场法：是将馈源和比较器视为一个整体。把接收时产生的三个波束用发射状态来分析。馈源口径上有三种初级场分布，这三种初级场分布产生的三个初级波束照射反射面。在反射面口径上建立起相应的三种次极口径场分布，然后向空间发射三个次级波束。 　图13-6 馈源的口径场分布 主要电气指标 单脉冲天线的电气参量与普通天线一样。也要用到增益、半功率波瓣宽度、副瓣电平等。但由于其工作体制的不同，还要用差波束的相对斜率、绝对斜率、分离角和零深及角灵敏度的指标。