第一篇：机载相控阵火控雷达的技术特征及干扰研究分析论文

机载火控雷达的主要作用是测定目标的空间位置，提供给火控系统，通过制导武器对目标实施攻击。相控阵机载火控雷达是采用相控阵天线的机载火控雷达。它是一种电子扫描雷达，由计算机控制，用电子的方法实现天线波束指向在空间的转动或扫描的电扫雷达系统，克服了机械扫描雷达惯性延迟的不足，波束灵活，能迅速而精确地控制和变换波束形状、数目和扫描图形，使得机载相控阵火控雷达实现了同时多目标跟踪和攻击、同时多功能和低截获概率能力，并降低了的自身的雷达截面积，可提高飞机的作战能力和战场生存能力。相控阵天线原理

相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵和共形阵等，但都是从阵列天线发展起来的。阵列天线通常由多个偶极子天线单元组成，偶极子天线具有近似的无方向性天线方向图，天线增益很低，在自由空间内增益只有6dB 左右，为了获得较高的增益，将多个偶极子天线单元按一定的规则排列在一起，形成一个大的阵列天线。

N 个带有移相器的相同单元的线性阵列天线，相邻单元间隔为d。与直线阵相垂直的方向为天线阵的法线方向，称为“基本轴”。设各单元移相器输入端均为等幅同相馈电，且馈电相位为零。各个移相器能够对馈入信号产生0～2π 的相移量，按单元序号的增加其相移量依次为Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。

(1)当目标处于天线阵法线方向时，要求天线波束指向目标，即波束峰值对准目标。由阵列天线的原理可知，只要各单元辐射同相位的电磁波，则波束指向天线阵的法线方向。根据阵列天线这一结论，若对相控阵天线中各个移相器输人端同相馈电，那么，各个移相器必须对馈人射频信号相移相同数值(或均不移相)，才能保证各单元同相辐射电磁波，从而使天线波束指向天线阵的法线方向。换句话说，各个移相器的相移量，应当使相邻单元间的相位差均为零，天线波束峰值才能对准天线阵的法线方向。

(2)在目标位于偏离法线方向一个角度θ0时，若仍要求天线波束指向目标，则波束扫描角(波束指向与法线方向间的夹角)也应为θ0。倘若波束指向与电磁波等相位面垂直，即波束扫描一个θ0角度，则电磁波等相位面也将随之倾斜、见图中M′M 方向，它与线阵的夹角也为θ0。这时，各单元就不应该是同相辐射电磁波，而需要通过各自的移相器，对馈入射频信号的相位进行必要调整。

首先讨论单元1 与单元2 的移相器对馈入射频信号的相移情况。假设单元1 与单元2 的移相器分别对馈入的射频信号相移了Ф1

和Ф2，那么单元1 辐射的电磁波到达

等相位M′点的相位为Ф1，而单元2 辐射的电磁波由于在空间多行程一段距离AB，故到达等相位面时的相位为：

φ2=2π/λ ·d·sinθ0

根据等相位条件，在等相位面上则有：

φ1=φ2=2π/λ ·d·sinθ0

设两单元的相位差为Ф，上式可写成：

φ=φ2-φ1=2πλ ·d·sinθ0

即两单元的相位差Ф，补偿了两单元波程差引起的相位差，使得两单元辐射的电磁波在θ0方向能够同相相加，得到最大值，即波束指向了θ0方向。同样的分析可以得出单元2 与单元3 之间的相位差也为Ф：

φ1=φ3=2π/λ ·d·sinθ0

依此类推，任意两单元的相位差都相同。这就是说，通过移相器的调整，使得各单元辐射电磁波的相位按其序号依次导前一个Ф，分别为Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使电磁波的等相位面向左倾斜，波束方向偏离天线阵法线方向向左一个θ0角度。

同理，通过移相器的调整，若各单元辐射电磁波的相位按其序号的增加依次滞后一个Ф，分别为Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，则电磁波的等相位面向右倾斜，波束指向偏离天线阵的法线方向向右一个θ0角。由前面的公式可得出θ0与Ф 的定量关系为：

θ0=arcsin(λφ/2πd)

此式表明，在雷达工作波长与单元之间的间距d 一定的情况下，波束指向角θ0随Ф 而变化。只要控制移相器使各单元间产生相同的相移增量，并且其大小和正负又是可变的，则波束就可以在范围内扫描。

简单来说，控制移相器对馈入射频信号产生的相移，即可改变电磁波等相位面的位置，从而改变天线波束的指向，达到扫描的目的。这就是相控阵天线实现电扫描的基本原理。相控阵雷达技术特征

2.1 天线波束快速扫描能力

天线波束快速扫描能力是相控阵雷达主要技术特点。这一特点来自于阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力。正是由于相控阵天线的波束快速扫描的技术特点使得相控阵火控雷达具有高搜索数据率、高跟踪数据率、多目标搜索与跟踪、实现多种雷达的功能。

2.2 天线波束形状捷变能力

天线波束形状捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力。天线波束形状捷变能力使相控阵天线可快速实现波束赋形和实现空时二维自适应处理(STAP)。空时二维自适应处理(STAP)是相控阵雷达在空域与频域同时实现对杂波干扰进行抑制的方法，用于机载相控阵火控雷达抑制地面杂波。机载雷达在强地物背景中检测目标，采用距离门多普勒滤波方法，对每一个要检测的距离单元，即可能存在目标的距离单元，通过多普勒滤波器组对目标回波进行频谱分析，从速度上分辨目标与杂波，而在不同角度上与不同距离上地物的杂波频谱是不同的，与雷达载机飞行速度及姿态有关，而且地物杂波信号是由与被检测单元同样距离的所有天线主瓣与副瓣照射的地物信号叠加而成，主瓣杂波对目标回波的信号的遮蔽最大。要检测雷达主瓣照射区内某一距离单元内是否存在目标，首先在每一天线单元或子天线级别上，对该单元的接收信号进行频谱分析，即频域滤波，然后对每一个滤波器的输出在进行自适应空域滤波，即实现自适应能力方向图形成，在该滤波器最大值对应的角度上形成接收方向图凹口。就是对回波信号的每一个多普勒频率分量，分别形成各自的天线方向图，方向图的最大值均指向预定要检测或跟踪目标的方向，而这些方向图凹口则分别对准产生该多普勒频率的强地物所在方向。

2.3 空间功率合成能力

空间功率合成能力使相控阵机载火控雷达实现了发射电磁波能量的低峰值功率、高脉冲能量和高平均功率，提高其探测性能。

阵列天线的每一个单元通道或每一个子天线阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的变化，使发射天线波束定向发射，既将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。

2.4 多波束形成能力

相控阵雷达通过波束转换控制信号可以方便地在一个重复周期内形成多个指向不同的发射波束和接收波束。用同一个孔径可以同时产生多个独立的波束，即将一部分面阵对应产生一个波束，另一部分面阵对应产生另一个波束，各个波束又可以具有不同的辐射功率、波束宽度、目标驻留时间、重复频率和重复照射次数等。各个波束可以实现统一控制和分别控制，用于对目标的一般搜索、重点搜索和跟踪。

2.5 强抗干扰能力

相控阵雷达天线波束的快速扫描、天线波束形状捷变、自适应空间滤波、自适应空时处理能力以及多种信号波形的工作方式，使得相控阵雷达在体制上具有强的抗干扰潜在性能。在相控阵雷达中又采用了单脉冲测角技术、脉冲压缩技术、频率分集技术、频率捷变和自适应旁瓣抑制技术，进一步提高了其抗干扰性能。

相控阵机载火控雷达具有高增益和低副瓣的天线阵列，副瓣电平可达-50~-40dB，由于副瓣电平低，可以使雷达少受相邻频段雷达的互扰，使掩护式干扰机的等效干扰功率增大，给干扰机制造增加困难，提高了雷达的抗干扰能力;主瓣波束很窄、扫描方式迅速灵活，使侦察接收机可接收的脉冲数少而难以实现跟踪，低副瓣技术的采用，又要求侦察接收机灵敏度高，动态范围大，信号测定瞬时迅速，使得侦察工作难以进行;波束调零技术的采用，使其易于对抗针对雷达天线副瓣的干扰。对相控阵机载火控雷达的干扰研究

对相控阵机载雷达的干扰要从雷达原理、电子对抗原理等方面入手，从原理角度分析相控阵机载火控雷达自身固有的弱点，才能找到对应的干扰办法。从原理上讲，机载相控阵火控雷达有如下弱点： 一是对所有的电子信号，只要在雷达设备的通带内的信号，它不分敌我，都能接收;二是不论雷达采用什么样的信号处理方式，只要干信比达到一定值时，它就不能干扰和有用信号的混合体中，提取有用信号;再一方面虽然相控阵雷达天线副瓣低，而且还可以采取副瓣调零等措施，但是它的天线副瓣仍然不可能为零，副瓣电平是客观存在的，副瓣干扰有机可乘。

相控阵机载火控雷达实质也是一部雷达设备，也要遵循雷达的基本工作原理，也具有上述弱点，因此只要是在雷达接收通道通带内的无线电信号，都能进入到雷达，无法回避;其次提高进入接收通道的电信号(包含有用信号和干扰信号)干扰信号能量，只要干信比达到一定值时，雷达就不能从干扰和有用信号的混合体中提取有用信号，直接影响雷达对目标的探测。根据上述分析，可采用以下方法实施电子干扰。

(1)由于天线副瓣的存在，因此通过增大干扰机功率，可进行副瓣干扰;或者直接对雷达实行宽带噪声干扰。强干扰信号进入雷达的接收通道可降低雷达接收信号的的信噪比，直至接收机达到饱和状态，破换雷达接收机的正常工作。

(2)从战术层面采用多机干扰，协同工作。相控阵雷达具有自适应空间滤波能力，能自适应地在干扰方向形成天线方向图零点，因此，单部干扰机无法对其形成有效的干扰。但是从原理角度分析自适应空间滤波需要自适应地计算空间矢量，而计算空间矢量需要空间取样，也要消耗计算时间，即自适应时间。采用两部或两部机载干扰设备协同使用，分时轮流工作，即可破坏雷达自适应空间滤波的精确性和稳定性，从而达到有效干扰的目的。结束语

机载火控雷达的干扰与抗干扰是矛和盾的关系，二者在对抗过程中不断的发展、提高。相控阵机载火控雷达技术先进，优势明显，但是并非无懈可击，只要找准其弱项与不足，干扰方法得当，总能见效。

第二篇：雷达技术论文

相控阵雷达技术

相控阵雷达有相当密集的天线阵列，在传统雷达天线面的面积上可安装上千个相控阵天线，任何一个天线都可收发雷达波，而相邻的数个天线即具有一个雷达的功能。扫描时，选定其中一个区块(数个天线单元)或数个区块对单一目标或区域进行扫描，因此整个雷达可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪，具有多个雷达的功能。由于一个雷达可同时针对不同方向进行扫描，再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动，因此资料更新率大大提高，机械扫描雷达因受限于机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。因而它更适于对付高机动目标。此外由于可发射窄波束，因而也可充当电子战天线使用，如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。关键字 相控阵雷达

原理

特点

应用

分类

应用

历史

发展

正文

1.相控阵雷达

相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。

1.1相控阵雷达的原理

我们知道，蜻蜓的每只眼睛由许许多多个小眼组成，每个小眼都能成完整的像，这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多。与此类似，相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元（称为阵元）组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上．这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵线 应该具有以下的特点环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。

1.2 相控阵雷达的特点

相控阵雷达之所以具有强大的生命力，因为它优胜于一般机械扫描雷达。它具有以下特点：

（1）能对付多目标。相控阵雷达利用电子扫描的灵活性、快速性和按时分割原理或多波束，可实现边搜索边跟踪工作方式，与电子计算机相配合，能同时搜索、探测和跟踪不同方向和不同高度的多批目标，并能同时制导多枚导弹攻击多个空中目标。因此，适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。

（2）功能多，机动性强。相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束，分别用以执行搜索、探测、识别、跟踪、照射目标和跟踪、制导导弹等多种功能，一部相控阵雷达能起到多部专用雷达的作用，而且还远比它们能够同时对付的目标多。因此，可大大减少武器系统的设备，从而提高系统的机动能力。

（3）反应时间短、数据率高。相控阵雷达可不需要天线驱动系统，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，从而缩短了对目标信号检测、录取、信息传递等所需的时间，具有较高的数据率。相控阵天线通常采用数字化工作方式，使雷达与数字计算机结合起来，能大大提高自动化程度，简化了雷达操作，缩短了目标搜索、跟踪和发控准备时间，便于快速、准确地实施畦达程序和数据处理。因而可提高跟踪空中高速机动目标的能力。

（4）抗干扰能力强。相控阵雷达可以利用分布在天线孔径上的多个辐射单元综合成非常高的功率，并能合理地管理能量和控制主瓣增益，可以根据不同方向上的需要分配不同的发射能量，易于实现自适应旁瓣抑制和自适应抗各种干扰，有利于发现远离目标和小雷达反射面目标（如隐形飞机），还可提高抗反辐射导弹的能力。

（5）可靠性高。相控阵雷达的阵列组较多，且并联使用，即使有少量组件失效，仍能正常工作，突然完全失效的可能性最小。此外，随着固态器件的发展，格控阵雷达的固态器件越来越多，甚至已生产出全固态儿控阵雷达，如美国的。“爱国者”雷达，其天线的平均故障间隔时间高达15万小时，即使有10％单元损坏也不会影响雷达的正常工作。[3][4]

1.2.1 相控阵雷达的优点

（1）波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；（2）一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；（3）目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；（4）对复杂目标环境的适应能力强；（5）抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高

1.2.2 相控阵雷达的缺点

美中不足的是，相控阵雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°。当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。

2.相控阵雷达的应用

相控阵雷达与机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化。多功能相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。美国“爱国者”防空系统的AN／MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。随着微电子技术的发展，固体有源相控阵雷达得到了广泛应用，是新一代的战术防空、监视、火控雷达。

当相控阵雷达警戒、搜索远距离目标时，虽然看不到天线转动，但上万个辐射器通过电子计算机控制集中向一个方向发射、偏转，即使是上万公里外来袭的洲际导弹和几万公里远的卫星，也逃不过它的“眼睛”。如果是对付较近的目标，这些辐射器又可以分工负责，有的搜索、有的跟踪、有的引导，同时工作。每个“移相器”可根据自己担负的任务，使电磁瓣在不同的方向上偏转，相当于无数个天线在转动，其速度之快非一般天线所能相比。正是由于这种雷达天线摒弃了一般雷达天线的工作原理，利用“移相器”来实现电磁瓣的转动，人们给它起了个与众不同的名字－－相控阵雷达，代表着“相位可以控制的天线阵”的含义。

3.相控阵雷达的历史及发展

3.1相控阵雷达的历史

相控阵技术，早在20世纪30年代后期就已经出现。1937年，美国首先开始这项研究工作。但一直到20世纪50年代中期才研制出2部实用型舰载相控阵雷达。

20世纪60年代，美国和前苏联相继研制和装备了多部相控阵雷达，多用于弹道导弹防御系统，如美国的AN/FPS-

46、AN/FPS-85、MAR、MSR，前苏联的“鸡笼”和“狗窝”等。这些都属于固定式大型相控阵雷达，其共同点：采用固定式平面阵天线，天线体积大、辐射功率高、作用距离远。其中美国的AN/FPS-85和前苏联的“狗窝”最为典型。

20世纪70年代，相控阵雷达得到了迅速发展，除美苏两国外，又有很多国家研制和装备了相控阵雷达，如英、法、日、意、德、瑞典等。其中最为典型的有：美国的AN/TPN-25、AN/TPQ-37和GE-592、英国的AR-3D、法国的AN/TPN-

25、日本的NPM-510和J/NPQ-P7、意大利的RAT-31S、德国的KR-75等。这一时期的相控阵雷达具有机动性高、天线小型化、天线扫描体制多样化、应用范围广等特点。

20世纪80年代，相控阵雷达由于具有很多独特的优点，得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达，它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而，大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究更上一层楼。

3.2 相控阵雷达技术的发展

3.2.1雷达体制从无源到有源

作为有源相控阵雷达的前身，无源相控阵雷达的发射机与天线分离配置，射频能量从发射机通过复杂昂贵的波导管馈送至天线。但是，波导管穿过甲板、隔舱等舰体结构，自然会影响舰体的强度；而且这种配置的可靠性也较低，一旦发射机组或波导管出现故障或战损，就会导致整个雷达系统的失效。同时，无源相控阵雷达由行波管之类的发射机来提供功率，要增大雷达发射功率不那样容易。人们认识到了无源相控阵雷达的上述缺点，设法寻找新的雷达模式。

微波集成电路的快速发展带来了机遇－－人们可以在砷化镓晶片上做出几厘米大小、能发射/接收电磁波的小单元，用来取代庞大的行波管和天线。将一个个这种小单元（移相器）排成阵列，就成为发射机与天线合一的有源相控阵雷达。与无源相控阵雷达不同，有源相控阵雷达抛弃了集中式发射机，而是每一个天线单元都配备一个独立的雷达发射机，只要增加天线的发射/接收单元数，就可以增加发射功率。

有源相控阵雷达不使用穿过舰体的波导管，降低了系统的复杂性和体积，也相应减少了馈电系统造成的能量损耗；每个天线单元均具备独立发射与接收电磁波的功能，少数天线单元的故障或受损不会导致整个系统的失效，故可靠性与抗战损能力有了大幅度的提升；高峰值功率是通过诸多天线单元合成的方式来实现的，因此降低了对微波元件的峰值功率要求，有助于降低成本。同时，有源相控阵雷达在雷达波束的分配、管理与运用上也更加灵活，有利于提高雷达系统的反应速度与效率。

3.2.2 全面提升电子对抗能力

在电子对抗日趋激烈的未来海战场环境中，为了有效地发挥雷达的信息作战优势，强大的抗干扰、电子压制能力不可或缺。面对海军作战区域由远洋向近岸水域转变的趋势，水面舰艇所面临的威胁与实战环境也变得更加复杂。对舰载相控阵雷达来说，浅滩、急流、礁石、岛屿、海岸线陆地、丛林等复杂地形所造成的杂波和多重反射，对海空目标的侦测造成了很大干扰，急需提高雷达的抗干扰能力。而有效对抗反辐射导弹的威胁，也成为确保舰载相控阵雷达生存和有效运用的必要前提。采用雷达低截获概率技术

3.2.3增强弹道导弹侦测能力

海基导弹防御系统比陆基系统有更高的灵活性和远程机动部署能力，因此，侦测弹道导弹并引导防空导弹实施拦截，已成为舰载相控阵雷达的重要使命。美国改进AN/SPY-1系列相控阵雷达，以满足海基反导的需求；英国的“桑普森”相控阵雷达具备了相当的侦测弹道导弹的潜力，已获得美国弹道导弹防御局的资助；荷兰的“阿帕”雷达也具备一定的探测弹道导弹能力，有可能成为欧盟发展海基战区导弹防御的基础。

除此而外，舰载相控阵雷达还力求与舰载指控系统、数据链、编队网络整合并高速交换数据，争取能通过雷达反射特性快速辨识目标舰（机）。长远目标是整合各种舰载雷达的功能，以期用1部多功能相控阵雷达满足从远程导弹拦截到近距防御的多种需求，如远距离探测、跟踪、目标锁定以及各类舰载武器的导引、作战指挥，从根本上简化舰艇的雷达配置。

3.3 中国装备

经过十年时间，周万幸造就了“海之星”，不仅让中国成为了第三个拥有自主创新舰载多功能雷达的国家，还被美国中情局评价称，该雷达是中国真正自主创新研制的相控阵雷达。它的研制成功标志着中国第一部舰载多功能相控阵雷达的研制已达国际领先水平。

新型导弹驱逐舰“武汉”号、“海口”号的高技术装备广受关注。“海口”号上的相控阵雷达是目前最先进的雷达之一，不但能扫描探测目标，还能对发出的导弹进行跟踪，对空探测距离、引导能力和同时处理的目标数量，在世界范围内都处于领先地位。“武汉”号上的超视距雷达可对敌舰艇实施超视距攻击，并且可以同时攻击多批次水面目标。另外，两艘驱逐舰上都安装的三坐标对空警戒雷达能探测方位、距离、高度。美国环球战略网202_年10月8号刊登了名为《中国航母预警机》的文章。文章推测中国正将一种类似于曾装备的较大型“空警-200”型预警机的相控阵雷达设备配备在重达21吨、双引擎的“运-7”（Y-7）运输机上。运-7飞机为中国仿制俄罗斯安-24型运输机。中国的“运-7”预警机将承担类似于美国23吨重的E-2型航母舰载预警机作战职责。

4.参考文献

【1】飞扬军事 http://

【3】铁血网：科普：相控阵雷达工作原理及类型简介 http://bbs.tiexue.net/post2_3832670_1.html

【4】网易：美媒：中国为运7装相控阵雷达作为航母预警机，202_年10月10日 http://war.news.163.com/09/1010/09/5L8K081V00011MTO.html

【5】新浪网：官方揭秘:中国海军相控阵雷达已达世界先进水平http://blog.sina.com.cn/s/blog_5dfc28960100felq.html

【6】东方军事网：尹卓委员:我护航军舰的相控阵雷达世界领先，202_年3月3日 http://mil.eastday.com/m/20090303/u1a4214401.htm 【7】邵余红 圆柱状战术有源相控阵雷达1997 【8】赵杰 EL/M-202_反弹道导弹预警和火控雷达系统1997 【9】国外空地/地空导弹手册1985 【10】陈树峥 新技术在战略战术相控阵雷达中的应用1989

第三篇：论文 相控阵雷达天线的工作原理及应用

相控阵雷达天线的工作原理及其应用

Xx（鲁东大学 物理学院 09级物理一班 2xxxxxxxxxxxx）

摘要：本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的工作原理，并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点。最后举例说明了相控阵雷达天线的应用。

关键词：相控阵；相位差；天线；

PHased array radar antenna working principle and its applicatio

LuHan

(Lu dong university Physics institute 09 level physics class20092312579)Abstract: this paper applied the huygensI型SAR天线为集中馈电的相控阵（下图）。它工作于C频段，峰值功率为5000W的波导窄片缝隙相控阵天线孔径面积为15m×1.5m, 质量300kg。方位方向上32个数字式铁氧体移相器可灵活地改变天线的波束指向和形状，使RadarsatП的天线阵面采用了T/R组件是一部接受和发射双通道，幅度和相位皆能数字控制的多极化、超分辨成像的固态游园【2】 相控阵微带天线。

Radarsat-I 的天线阵面

五、结束语

相控阵雷达是当今最先进的军事技术之一，在某种程度上来说它影响了当今新军事技术革命的发展方向。虽然存在一些不足之处，但我们有理由坚信：随着科学技术的进步，建立在物理基石上的相控阵雷达将会得到不断的完善。在未来，不论是军事斗争上还是民用事业上，相控阵雷达必定会发挥它不可替代的巨大作用。参考文献：

【1】相控阵雷达技术 张光义、赵玉洁 编著

【2】相控阵雷达天线 束咸荣、何炳发、高铁 著

【3】光学教程 第四版 姚启钧 原著 华东师大光学教材编写组改编

第四篇：机载天线结构设计研究论文

1引言

0.45m卫星通信(简称卫通)天线项目系某型多用途载机首次安装如此大尺寸、高带宽的卫通天线,国内尚无类似产品装备可参考,并且其使用环境条件复杂,这些都对天线结构设计提出了重大挑战。天线结构设计过程重点考虑了各结构件在载机实际工作环境下的刚度、强度问题。其中许多关键部位的结构件,起着支撑天线、固定通信馈线及执行伺服驱动的作用,同时承担和隔离载机产生的振动和冲击,并实现天线的转动、定位和定向。天线结构件的刚度、强度、重量、转动惯量,直接影响到天线系统的精度和可靠性[1]。在天线结构整体设计阶段,采用了ProE三维设计软件进行结构设计,采用有限元法利用大型结构设计仿真软件MSC.Patran/Nas-tran对天线结构进行结构力学分析和仿真,加强和优化主结构件关键部位。仿真和实验结果以及实际飞行使用效果显示,天线的结构特性均能满足技术指标和使用要求。

2系统和整机要求

根据系统要求,天线系统在飞行过程中要实现准确地手动/自动跟踪卫星功能,依赖于天线座结构应具有足够的刚度、强度和传动精度,以保证整个伺服系统的结构谐振频率,提高伺服带宽,增加系统的稳定性、动态响应和传动精度。此外,根据载机实际工作环境要求,在最大限度减轻载机负担(即减轻天线重量)的前提下,应采取合理布局的设计思路以优化结构设计,使天线在使用过程中能够排除和降低载机工作环境对其产生的不利影响,保证其可靠性,达到指标要求[2]。

3总体结构设计与优化

根据载机实际情况,在保证性能的前提条件下,要求天线的尺寸和重量到达最小,对此进行了大量的优化工作,使得0.45m卫通天线外形安装尺寸(直径×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天线罩),重量约为50kg,优化为700mm×500mm(天线罩),重量约为40kg,如图1所示。其总体优化过程如下:天线的反射体为降低安装高度,放弃了传统的抛物面天线,采用了最新研发成功的低剖面波导阵列天线;座架则仍采用典型的方位-俯仰型结构以保证跟踪的可靠性;为了减轻重量,除关键传动部件采用40Cr合金钢外,其余结构件全部选用高强度轻质铝合金2A12-T4;由于铝合金螺纹连接处强度不够,且重复拆装性不好,参考已有航空设备安装措施,装入钢丝螺套以提高螺牙强度;天线与机体安装平台间装有隔振装置以降低机体振动带给天线的影响;天线罩为降低重量,在保证抗风强度的前提下,弃用传统的环氧玻璃布结构,采用最新的纸蜂窝夹层结构,大大降低了安装重量;所有电缆和波导则为保证气密性而经密封处理后通过安装孔进入机舱内部。按照以往的工程经验,此类机载通信/雷达天线在类似的环境和使用要求下,一般应超过此重量与尺寸。因此,与以往工程设计的不同之处之一,即在设计之初就对各结构件进行了反复的比对和二次优化。

3.1天线结构介绍

波导阵列天线的结构尺寸为597mm×300mm×17.5mm,四周切角以减小回转半径;经过减重处理后的重量约8kg,电气性能与0.45m口径抛物面天线等效,而高度和厚度则大大低于传统的抛物面天线。采用这种天线的优势包括剖面低、辐射效率高、口径分布控制精确、低副瓣、波束指向稳定、功率容量大、刚度和强度好、结构紧凑、厚度薄、相对重量轻、可靠性高等优异的电气和结构性能等。

3.2天线座架结构设计与优化

天线座架采用典型的方位-俯仰形式,结构紧凑,受力情况合理,调整方便;设计选定承载能力强、刚度好、重量轻、结构紧凑的转台式结构;因而从整体几何尺寸的优化满足了最小安装空间的要求。俯仰机构的转动支撑采用了圆锥滚子轴承,可同时承受径向力和轴向力,以最轻质最紧凑的结构满足天线支撑的需要。关键件俯仰支臂用厚铝板加工而成,其主要受力部位为轴承孔及与方位转盘的连接面,因此必须在保持结构强度要求的前提下,对支臂的非承力部分进行减重优化设计,具体做法如下:整体按照最小几何尺寸布置;保留轴承孔周边最小结构尺寸;与方位转盘、驱动、轴角装置的连接面相应保留足够厚度;保留一侧面的相对完整,另一面完全成空腔结构;增加与轴承孔的两道同心加强环筋,并根据此零件结构力学特性将其布置在最优强度位置。此外,根据以往工程设计经验,俯仰支臂与方位机构的的连接根部和俯仰传动链末级两处通常是整个座架结构的最薄弱环节,因此在这两点处预先进行了局部二次加强,加厚并尽可能圆滑支臂的连接根部,其优化过程如图2所示。

方位机构的核心传动部件转盘轴承,优选了应用广泛的带外齿的四点接触球轴承,使天线座架在保持紧凑的结构和较轻的重量的前提下,能同时承受较大的轴向载荷、径向载荷、倾覆力矩和双向推力载荷,还优化了方位总传动比。另一重要部件滑环,采用具有超长寿命、免维护、无需润滑、外形紧凑的空心轴多路滑环。方位运动的另一核心部件方位转盘同样用厚板材加工而成,负担着天线和俯仰支撑的重量,并要具备足够的刚度,其优化思路过程与俯仰支臂相似,也包括轴承结构保留、连接面强化、空腔化减重及同心加强环筋的布置,其优化过程如图3所示。方位驱动和俯仰驱动均选用轻质、紧凑、高输出扭矩的直流减速电机,末级增加间隙调整装置,可调节传动回程间隙。将经过优化设计的结构模型再由力学仿真进行分析验算。

4天线结构的力学分析

由于天线的质量分布很复杂,很难用解析的方法得到其解析解,因此采用专业有限元分析软件MSC.PATRAN/NASTRAN进行力学分析和仿真。

4.1有限元模型的建立

天线整体结构的有限元模型包括反射体、座架结构、俯仰齿轮及其连接支撑结构、方位转动机构等。为降低软件的计算量和复杂度,先对天线整体结构进行简化,去掉冗余节点,再采用MSC.PATRAN软件单独对其组成零件划分网格,最后将划分好的网格进行组装。采用了映射网格划分方法,面上网格全部为四边形,体则全部为六面体,这种划分能够更准确地描述天线座架结构的应力和位移情况[3]。模型的约束条件如下:天线座架的2个俯仰轴系各有一点的3个转角自由度释放,方位轴系释放绕垂直轴转角自由度及垂直方向位移自由度,约束其余4个自由度。模型的材料属性如下:天线座架的各轴、轴承、齿轮定义属性为钢40Cr,而其他零件定义属性为硬铝2A12-T4。建立的天线结构有限元模型如图4所示。

4.2模态分析

天线座架是一个复杂的弹性系统,如果其结构固有频率与伺服带宽靠近甚至落入伺服带宽之内,各种伺服噪声就会激发系统发生谐振,造成伺服系统不稳定,无法工作,甚至使结构破坏。为保证伺服系统的稳定性,并有足够的稳定裕度,通常要求结构固有频率高于伺服带宽3~5倍[4]。通过计算得到天线结构模型的固有频率,在第1、2、3、4阶模态下,其值分别为28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天线伺服系统的带宽为2.7Hz左右,可见固有频率远大于伺服系统的带宽,因此,天线的伺服系统拥有足够的稳定裕度。

4.3冲击振动分析

依据实际环境使用要求,冲击环境条件为:采用半正弦脉冲,峰值加速度15g,脉冲宽度11ms,3个互相垂直轴,6个轴向施加。对模型施加冲击载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在z轴(图5),可以看出最大应力处位于俯仰支臂的连接根部位置,最大应力值为109MPa,小于材料的屈服极限σ0.2=275MPa。所以,在给定的冲击载荷条件下,结构满足强度要求。振动条件见图6振动谱,其中额外迭加的4处定频振动峰值依次为1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。对模型施加振动载荷并进行有限元分析,得到了如下分析结果:最大应力出现在y轴(图7),同样位于俯仰支臂的连接根部位置,其高斯分布规律的应力3σ值为178MPa,小于材料的屈服极限值σ0.2=275MPa。所以,在给定的随机振动条件下,结构满足强度要求。

4.4实验结果验证

按照要求对完成的设备进行冲击振动实验,从结果来看:主结构件经优化过的关键部位未出现以往相似工程中出现的刚度、强度不足的问题;改用轻质材料或采取减重措施的零部件受力情况与分析结果基本一致,均能满足设计要求;天线整体频响特性较好,在功能实验全程中运行正常,能够满足跟踪要求。

5结论

在0.45m机载天线的设计中,对载机的工作模式和环境特点进行了较为深入的研究,找出了结构设计过程中需要增强或优化的多个关键点,验证了天线结构的力学性能对伺服系统的重要性。在天线结构的设计与优化过程中,采用专业软件较好地解决了天线结构尺寸重量强度的优化设计、载机环境适应性等主要问题。天线系统精度较高,结构性能良好,从实际飞行过程中的具体通信效果来看,电气、伺服、结构等各项性能指标均完全满足系统要求。

由于国内机载卫星通信应用尚处于初步阶段,0.45m机载天线的研究结果对类似的机载雷达/通信天线的研发可以提供相应的技术参考和借鉴。需要指出的是,各种载机平台拥有各自不同的特性,对天线结构的要求也相应有所不同,建议今后对不同的载机平台,应进一步增加针对性的设计工作。

第五篇：相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法论文

【摘要】针对相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计问题，从系统设计的功能需求进行分析，设计系统层次架构与功能模块等，进而构建多任务测试系统，以提高天线近场测试效率。

【关键词】相控阵雷达;天线;多任务;测试系统;设计方法

近场天线测试系统作为相控阵雷达天线性能测试的主要手段，该系统随着相控阵天线技术的完善，其测试效率也不断提升。基于应用需求，近场天线测试系统实现多任务测试是发展的主要趋势，目前该系统也已经被广泛的推广应用。

一、相控阵雷达天线概述

相控阵雷达包括有源电子扫描阵列雷达、无源电子扫描阵列雷达，其主要是通过改变天线表面的阵列波束合成形式，进而改变波束扫描方向的雷达。此类型的雷达天线的侦测范围较为广泛，利用电子扫描，能够快速的改变波束方向，精准的测量目标信号。

二、近场天线测试系统建设功能需求分析

近场天线测试系统设计，需要做好软件需求分析，此系统功能需求如下：1）要能够满足全测试周期可配置，以及软件通用化需求。此功能需求的实现，责任需要构建众多数据源输入接口，配置通信协议以及软件界面等，面向各类相控阵天线测试，进而达到通用化需求目标。2）实现多任务测试。相控阵雷达天线的不断发展，使得传统的单任务测试方法，已经难以满足天线测试需求，基于此进行多任务测试方法设计，在测试探头单独扫描条件下，采取高密度测试方法，即多个频率与波束等，实现高效测试。

三、相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法

多任务测试系统主要是利用软件，进行测试参数预设，包括测试频率、波束角度、扫描架运用范围等。利用数据处理软件，进行分解转换测试，计算各采样点数据，获取天线方向图性能参数，最后显示图像。3.1架构设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统架构设计，其是基于构件化设计思想，利用软件构成元素，由标准接口负责提供特定服务，以支持系统开发。系统架构中的构件库，主要分为数据采集类、三维扫描控制补偿类、方向图与数据处理类，构件存在形式为COM、dll等，使用构件管理工具，则能够进行动态加载与管理，进而在系统开发过程中，进行构件注册与复制，实现版本控制。利用GetTypes静态方法，来获取Assembly内的构件类型，判断构件类型，看其是否为构件接口所派生的，若是则运用Activator动态方法，即CreateInstan函数，来获取构件，实现动态加载[1]。3.2多任务设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计时，需要进行多任务设计。相控阵天线的各波束状态，主要是天线波控分系统控制，天线接收波控指令包，由波控分系统进行分解处理，对天线上的波束扫描进行控制。近场天线多任务测试设计，其核心思想是实现天线实时扫面测试，同时控制天线频率与波束等的切换，进而实现实时同步切换。多任务测试系统运行的过程中会产生大量的数据，因此为了避免数据访问冲突，则采取创建多线程的方法，进行数据处理，将其分为数据处理与显示型、接收机测试型、伺服控制型线程。线程创建后，将会独立运行，各线程将会在其自身的时间段内，使用CPU，实现轮流执行与并发执行。3.3系统接口设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统功能实现，数据源要与数据服务层实现交互，同时还需要确保数据服务层和客户端实现交互。天线近场测试系统主要是利用数据源插件，来封装底层API驱动或者通讯协议，基于标准函数，形成动态链接库，以实现测试的实时性。系统数据服务层的功能为插件容器，当系统运行时能够实现快速配置查找，动态的将插件放入系统构架中，或者从构架中取出，实现系统功能配置。利用TCP网络通信，实现数据服务层和客户端的信息交互，用户可以登录账号，通过身份验证后，完成界面文件下载，由客户端负责发送TCP连接请求，基于通讯协议，进而实现交互。3.4控制器设计相控阵雷达天线近场多任务测试系统控制器设计，主要包括雷控信号仿真电路、GPIB接口电路、信号转换电路与电源等。系统运行前，控制器通过GPIB接口电路，来接收系统中心的指令，记录测试所需要的频率码与波位码等，将其传送给雷控信号仿真电路，基于定时协议，实现解码与缓存。开始测试后，信号电路接收外触发信号，基于各测试点，将雷控与定时信号传送给天线，实现波位切换，同时而仿真电路能够和雷控信号、定时信号协调发出信号。最后协调控制天线测试所需要的各种信号，实现多任务测试[2]。3.3结束语相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计，需要合理设计系统架构，以及多任务测试功能、接口设计等，以确保系统能够实现多任务测试与可拓展性，提高天线测试的效率。

参考文献

[1]樊会涛,闫俊.相控阵制导技术发展现状及展望[J].航空学报,202_（09）:2807-2814.[2]金林,刘小飞,李斌,刘明罡,高晖.微波新技术在现代相控阵雷达中的应用与发展[J].微波学报,202_（Z1）:8-16.