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相控阵天线原理结构
发布时间：
2024-07-17
相控阵天线，一种从阵列天线演变而来的技术，其核心在于通过相位调整来实现波束在空间中的指向变化或扫描功能，这种天线也被称为电子扫描阵列（ESA）天线。构成这些天线的单元可以是各种形式，例如独立的波导喇叭天线、偶极子天线或贴片天线等。位于每个天线单元的后方，…
相控阵天线，一种从阵列天线演变而来的技术，其核心在于通过相位调整来实现波束在空间中的指向变化或扫描功能，这种天线也被称为电子扫描阵列（ESA）天线。构成这些天线的单元可以是各种形式，例如独立的波导喇叭天线、偶极子天线或贴片天线等。
位于每个天线单元的后方，都配备有一个移相器，这个装置负责调整单元间信号的相位差，从而控制波束的指向。如果需要改变信号的强度，则可以通过功率分配/相加网络或衰减器来实现。
01
线性相控阵天线扫描原理
线性相控阵天线主要应用于需要一维相控扫描的雷达系统中。根据不同的基本阵列结构，线性相控阵天线可以分为两类：垂射阵列和端射阵列。
在垂射阵列中，天线的最大辐射方向是垂直于阵列的轴向，这样波束就可以在垂直于天线阵列的法线方向上进行左右扫描。而对于端射阵列来说，主瓣的方向则是沿着阵列的轴向。通过调整阵列中相邻单元之间的相位移值，可以改变天线波束的最大辐射方向的指向。
02
平面相控阵天线扫描原理
平面型相控阵天线是一种结构，其中天线单元被布置在一个平面内，并且能够在这个平面内进行方位和仰角的相控扫描。
这种天线的单元布局通常分为两种基本形式：矩形格阵和三角形格阵。三角形格阵可以被看作是由两个较大的单元间距的矩形格阵组成的平面相控阵天线。
03
相控阵天线的基本构成
在相控阵天线的开发中，电路设计、结构设计、微波元件以及控制策略等方面存在很大的差异。一般而言，相控阵天线由天线阵面、移相器、馈线网络和控制电路等主要部分构成。
在相控阵天线的馈电网络中，如果没有源电路的存在，那么它就是一个无源相控阵天线。相反，如果天线的每个单元通道都包含有源器件，如信号功率放大器、低噪声放大器、混频器等，则这种天线被称为有源相控阵天线。
04
天线阵面
相控阵天线的阵面通常由数百到数万个单元组成，这些单元通过相位控制来激励辐射。这些辐射单元可以是波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等形式的单一单元。根据单元在空间中的布局方式，相控阵天线可以分为平面相控阵、曲面相控阵和共形相控阵。其中，当辐射单元分布在平面时，它被称为平面相控阵天线；当分布在曲面时，则是曲面相控阵天线；如果该曲面与雷达安装平台的外形一致，它就被称为共形相控阵天线。
05
馈线网络
相控阵天线是一个复杂的多通道系统，它由众多的天线单元组成。在这些单元、发射机、接收机之间，需要有一个复杂的馈线网络来实现信号的传输。
馈电是指从发射机输出端将信号传输到天线阵面的各个辐射单元，或者将天线阵面各个辐射单元接收到的信号传输到接收机的输入端的过程。馈相则是指为天线阵列中的每个单元通道提供必要的相位分布，以实现波束的扫描或改变波束的形状。
06
移相器
在相控阵天线的馈线网络中，移相器扮演着至关重要的角色，它是实现馈相功能的关键组件。移相器的设计要求包括：能够精确控制相位、稳定性良好、具备宽频带和大功率处理能力，以及能够快速调节。
移相器主要分为两种类型：一种是基于场效应晶体管（FET）的模拟型移相器，它采用压控变容二极管来实现相位调整；另一种是数字型移相器，它使用PIN二极管作为开关器件。
07
天线方向图
方向图是一个描述天线辐射特性的三维空间图形，以天线的相位中心作为球心（即坐标原点），在一个半径较大的球面上逐点测量其辐射特性并绘制出来。通过测量场强振幅，我们可以得到场强方向图；测量功率分布，可以得到功率方向图；测量极化状态，可以得到极化方向图；测量相位分布，则可以得到相位方向图。
在实际应用中，通常只需测量天线在水平面和垂直面（即XY平面和XZ平面）的方向图。天线方向图是评估天线性能的关键图表，它能够展示天线的多个重要参数，包括主瓣宽度、旁瓣电平、前后比和方向系数等。
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