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Electronically Scanned Arrays

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Electronically Scanned Arrays
Copyright © 2007 by Morgan & Claypool All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means—electronic, mechanical, photocopy, recording, or any other except for brief quotations in printed reviews, without the prior permission of the publisher. Electronically Scanned Arrays Robert J. Mailloux
Electronically Scanned Arrays
Robert J. Mailloux
University of Massachusetts, Amherst, MA
SYNTHESIS LECTURES ON ANTENNA;Claypool
Publishers
iv
ABSTRACT
Scanning arrays present the radar or communications engineer with the ultimate in antenna flexibility. They also present a multitude of new opportunities and new challenges that need to be addressed. In order to describe the needs for scanned array development, this book begins with a brief discussion of the history that led to present array antennas. This text is a compact but comprehensive treatment of the scanned array, from the underlying basis for array pattern behavior to the engineering choices leading to successful design. The book describes the scanned array in terms of radiation from apertures and wire antennas and introduces the effects resulting directly from scanning, including beam broadening, impedance mismatch and gain reduction and pattern squint and those effects of array periodicity including grating and quantization lobes and array blindness. The text also presents the engineering tools for improving pattern control and array efficiency including lattice selection, subarrray technology and pattern synthesis. Equations and figurers quantify the phenomena being described and provide the reader with the tools to tradeoff various performance features. The discussions proceed beyond the introductory material and to the state of the art in modern array design.
vii
Contents
1. Basic Principles and Applications of Array Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 A Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Antenna and Array Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.1 Array Scanning: Linear Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.2 Array Pattern Shape and Beamwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.3 Array Pattern ‘Squint’ and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.4 Grating Lobes of Linear Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3.5 Grating Lobes of Planar Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.6 Array Directivity Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4 Multiple Beam Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Element Coupling Effects in Array Antennas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.1 Array Element Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.1.2 Array Element Patterns for Single and Multi-mode Elements . . . . . . . . 29 2.2 Radiation of Wire and Aperture Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.1 The Radiation of a Single Wire or Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.2 Radiation from a Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.3 Radiation from a Dipole in an Array of Terminated Dipoles . . . . . . . . . 35 2.3 Array Element Patterns in an Infinite Array. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 2.4 Finite Arrays and Wide-Band Arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 Array Pattern Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2 Synthesis Techniques for Sector Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.1 The Fourier Synthesis Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2.2 The Woodward Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3 Synthesis of Pencil Beam Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.1 Taylor Line Source Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3.2 Bayliss Line Source Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.1 The Alternating Projection Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

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有源相控阵雷达原理

有源相控阵雷达原理

有源相控阵雷达原理有源相控阵雷达（Active Electronically Scanned Array，AESA）是一种先进的雷达技术，它采用了相控阵天线和主动相控技术，具有较高的抗干扰能力和快速目标搜索、跟踪能力。

相比传统的机械扫描雷达，有源相控阵雷达具有更快的响应速度和更灵活的目标探测能力，因此在现代军事应用中得到了广泛的应用。

有源相控阵雷达的原理基于相控阵天线和主动相控技术。

相控阵天线是由大量的单元阵列组成的，每个单元阵列都可以独立控制，通过改变每个单元阵列的相位和幅度，可以实现对雷达波束的灵活控制。

而主动相控技术则是通过对每个单元阵列的相位和幅度进行实时调控，以实现对雷达波束的实时调整和目标跟踪。

这种灵活的波束控制能力使得有源相控阵雷达可以快速地对多个目标进行跟踪和搜索，极大地提高了雷达的性能和效率。

有源相控阵雷达的原理还体现在其发射和接收的方式上。

传统的雷达通常采用单一的天线进行发射和接收，而有源相控阵雷达则采用了多个单元阵列，可以实现多波束的同时发射和接收。

这种多波束的发射和接收方式可以大大提高雷达的搜索速度和目标跟踪能力，同时也增强了雷达的抗干扰能力和隐身目标的探测能力。

除此之外，有源相控阵雷达还采用了先进的信号处理和数据处理技术。

相控阵天线可以实现对雷达波束的快速调整，同时也可以实现对雷达信号的实时处理和分析。

这种高效的信号处理和数据处理技术使得有源相控阵雷达可以实现对多个目标的快速跟踪和搜索，同时也可以实现对复杂环境下的抗干扰和隐身目标的探测。

总的来说，有源相控阵雷达的原理基于相控阵天线和主动相控技术，通过灵活的波束控制、多波束发射和接收以及先进的信号处理和数据处理技术，实现了对多个目标的快速跟踪和搜索，具有较高的抗干扰能力和快速响应的特点。

在现代军事应用中，有源相控阵雷达已经成为了主流的雷达技术，其在提高雷达性能和效率方面发挥着重要的作用。

一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析

一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析

一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析张昀剑;熊灵;高鹏【摘要】宽带雷达作为一种新体制雷达,具有优越的反隐身能力、强的抗干扰能力、极高的距离分辨率等诸多优点.相对于传统相控阵雷达,超宽带雷达采用实时延时技术替代传统的移相器进行波束控制.该文章基于超宽带雷达相关理论进行了时域超宽带阵列天线波束扫描研究.采用对拓维瓦尔迪天线设计了四单元均匀直线超宽带阵列并进行了时域仿真及实验测试.结果表明,该阵列在X-Z平面可以实现±40°的波束扫描.阵列规模由天线单元间距决定,通过精确仿真分析天线单元间距使波束合成效果达到最优化.阵列的峰峰值方向图仿真验证了时域波束扫描理论是可行的,同时论证了实时延时技术可以被集成到时域雷达中以实现实时扫描.【期刊名称】《火控雷达技术》【年(卷),期】2013(042)002【总页数】6页(P87-92)【关键词】超宽带;天线阵列;波束扫描;峰峰值方向图;时域【作者】张昀剑;熊灵;高鹏【作者单位】电子科技大学成都611731;电子科技大学成都611731;电子科技大学成都611731【正文语种】中文【中图分类】TN821 引言相比于传统窄带系统，相对带宽大于25%的超宽带技术被广泛证明具有巨大优势［1］。

信号的宽带特性使超宽带技术吸引了大量学者研究其应用，例如遥感遥测、穿墙雷达、个人无线通信系统等［2-6］。

基于频域的窄带天线分析方法已经非常成熟，但对于超宽带天线来说该方法具有一定局限性。

超宽带时域激励信号具有很宽的频谱，若要得到天线辐射或接收的时域特性，需要对多频点的频域数据进行傅里叶逆变换，实现方法难度较大且繁琐。

时域方法通过高速采样示波器直接获取时域数据，进行一次傅里叶变换即可得到完整的频谱，能够更便捷直观地表示信号传播特性［7］。

与传统雷达系统相比，基于超宽带天线的时域超宽带雷达具有诸多优势［8-10］。

为提高雷达对目标的探测能力，需要对辐射波束进行赋形，因此采用超宽带天线组成阵列作为超宽带雷达的接收/发射天线是一种行之有效的方法［11］。

无源有源相控阵雷达原理、电扫阵列及典型雷达系统

无源有源相控阵雷达原理、电扫阵列及典型雷达系统

相参技术相参雷达是指雷达系统的发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供，使得这些信号之间可以保持确定的相位关系，同时接收的回波信号也可以提取信号的相位信息。

相参技术对主振源信号具有极高的频率稳定度要求和频谱纯度，对天线性能，信号处理器等都具有很高的要求。

相同频率，不同相位的信号叠加效果移相器移相器的作用是将信号的相位移动一个角度，相位和频率保持稳定的对应关系是移相器的一个重要特性。

铁氧体移相器铁氧体移相器的基本原理是利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数，从而改变电磁波的相速，得到不同的相移量。

铁氧体移相器的主要优点是承受功率较高，插入损耗较小，带宽较宽。

其缺点是所需激励功率比PIN管移相器大，开关时间在微秒(us)量级。

半导体PIN二极管PIN二极管开关从“开”到“关”或者相反动作的起始状态达到稳定状态的时间称为开关时间。

以半导体PIN二极管作为开关器件的数字式移相器相位转换时间可以达到纳秒(ns)量级。

GaAs FETGaAs FET开关是数控移相器的主要构成元素，它作为一个三端器件，可以通过对栅偏置电压的控制来改变源漏间电阻，从而实现开关动作，转换时间也在纳秒(ns)量级。

相控阵雷达原理有了信号叠加的原理和移相器，相控阵雷达原理就好理解了，其基本思想：通过移相器改变每个辐射元件发射信号的相位，以提供相长/相消干涉，从而实现波束的电子扫描，在期望的方向上形成窄波束，雷达天线不需要机械转动。

电子扫描阵列很好的解决了机械雷达的机械惯性和扫描需要时间长等问题，实现了波束指向的无惯性快速扫描，为任务的灵活敏捷性创造了很好的条件。

相控阵天线是相控阵雷达组成的核心之一，相控阵天线既有有源、无源之分，也有一维、二维之分。

无源电子扫描阵列Passive Electronically Scanned Array, PESA无源电子扫描阵列天线表面的阵元只有改变信号相位的能力而没有发射信号的能力，信号的产生还是依靠天线后方的信号产生器，然后利用波导管将产生的信号号送到信号放大器上，再传送到阵列单元上面，接收时则反向而行。

美军雷达命名规则和雷达英文词汇e

美军雷达命名规则和雷达英文词汇e

美军雷达命名标准按老美军用标准MIL-STD-196D规定，其军用电子设备〔包括雷达〕根据联合电子类型命名系统〔JETDS〕。

名称由字母AN〔陆军-海军联合命名系统〕,一条斜线和另外三个字母组成。

三个字母表示设备安装位置，设备类型和设备用途。

比方AN/SPS-49表示舰载警戒雷达。

数字49标识特定装备，并且表示该设备时JETDS规定的SPS类的第49种。

经过一次修改就在原型后附加一个字母如ABC，名称后加破折号，T和数字表示丫是用来训练的。

名称后的括号内V表示丫是可变系统，就是通过增加或减少设备来完成不同功能的系统。

处于试验和研制中的系统有时在紧随正式名称后的括弧内用特殊标志来表示，他们用来指明研究单位。

比方XB表示海军研究实验室，XW表示罗姆航空开展中心。

下面就把AN/***后面的三个字母的意思祥加说明。

JETDS设备符号安装位置〔第一个字母〕A 机载B 水下移动式，潜艇D 无人驾驶运载工具F 地面固定G 地面通用K 水陆两用M 地面移动式P 便携式S 水面舰艇T 地面可运输式U 通用V 地面车载W 水面或水下Z 有人和无人驾驶空中运输工具设备类型〔第二个字母〕A 不可见光，热辐射设备C 载波设备D 放射性检测，指示，计算设备E 激光设备G 电报，电传设备I 内部通信和有线播送J 机电设备K 遥测设备L 电子对抗设备M 气象设备N 空中声测设备P 雷达Q 声纳和水声设备R 无线电设备S 专用设备，磁设备或组合设备T 〔有线〕设备V 目视和可见光设备W 武器特有设备X 和电视设备Y 数据处理设备设备用途〔第三个字母〕A 辅助装置B 轰炸C 通信〔发射和接受〕D 测向侦查或警戒E 弹射或投掷G 火控或探照灯瞄准H 记录K 计算M 维修或测试工具N 导航〔测高，信标，罗盘，测深，进场〕Q 专用或兼用R 接收，无源探测S 探测或测距，测向，搜索T 发射W 自动飞行或遥控X 识别Y 监视和火控有源滤波器Active filter有源校正网络Active corrective network 有源干扰Active jamming机载引导雷达Airborne director radar 机载动目标显示Airborne MTI机载雷达Airborne radar 机载截击雷达Airborne-intercept radar机载警戒雷达Airborne warning radar模拟信号Analog signal天线抗干扰技术Antenna anti-jamming technique天线增益Antenna gain反辐射导弹Anti-radiation missile背射天线Backfire antenna回差Backlash 轰炸雷达Bombing radar 平衡电感Balancing inductor选频放大器Bandpass amplifier战场侦察雷达Battle-field search radar 盲区Blind zone闪烁干扰Blinking jamming击穿功率Breakdown power体效应二极管本地振荡器Bulk effect diode local oscillator宽带中频放大器Broad band intermediate frequency amplifier机柜、分机结构Cabinet, subassembly标定误差Calibrated error电子束管(阴极射线管) Cathode-ray tube(CRT)空腔型振荡器Cavity Oscillator谐振腔Cavity Resonator空腔稳频本地振荡器Cavity-Stabilized Local Oscillator干扰偶极子Chaff Dipole信道化接收机Channelized receiver圆极化平面波Circularly polarized plane wave闭环控制系统〔反应控制系统〕Close-loop control system (feed-back control system)杂波抑制Clutter suppression同轴电缆Coaxial cable 同轴谐振腔Coaxial cavity同轴定向耦合器Coaxial directional coupler 同轴滤波器Coaxial filter相干振荡器Coherent oscillator 相干动目标显示Coherent MTI复调制干扰Complex modulated jamming圆锥扫描雷达Conical scan radar圆锥扫描天线Conical Scanned Antenna连续波雷达接收机Continuous-wave radar receiver比照度Contrast 卷积器Convolutor变频损耗Conversion loss 相关时间Correlation time抗反辐射导弹措施Counter anti-radiation missile measures 正交场器件〔M型器件〕Crossed-field devices(M-type devices)截止式衰减器Cut-Off Attenutor截止波长Cut-off wavelength连续波雷达发射机CW Radar Transmitter直流阻抗D.C. impedance直流谐振充电D.C. resonant charging 直流谐振二极管充电D.C. resonant diode charge 数据处理Data processing偏转线圈Deflection coil延时充电电路Delayed charging circuit介质移相器Dielectric phase shifter介质干扰杆Dielectric chaff rod数字滤波器Digital filter数字匹配滤波器Digital matched filter数字测距Digital ranging引导雷达Director radar多普勒雷达Doppler Radar双门限检测器Double threshold detector 双T接头Double T-junction等效负载Dummy load 天线收发开关DuplexerE面〔H面〕折叠双T E plane (H plane) magic-T天线的有效面积Effective area of an antenna 有效辐射功率Effective radiation power(E.R.P.)电液伺服阀Electro-hydraulic Servo value电磁兼容性Electromagnetic compatibility 电子抗干扰Electronic anti-jamming电扫描天线Electronic Scanned antenna电扫描雷达Electronically Scanned Radar椭圆极化场矢量Elliptically Polarized Field Vector末制导雷达End-guidance radar鼓励器〔预调器、触发器〕Exciter(premodulator, trigger)极窄脉冲雷达Extra-short pulse radar快速付里叶变换Fast Fourier Transform馈电网络Feed network 相控阵馈电网络Feed networks For Phased Array铁氧体移相器Ferrite phase shifter火控雷达Fire control radar 频率捷变雷达Frequency agile radar调频雷达发射机Frequency modulation radar transmitter引信干扰Fuse jamming齿轮传动误差Gear transmission error图形失真校正Graphic distortion correction 格雷戈伦天线Gregarain antenna制导雷达Guidance radar炮瞄雷达Gun directing radar 盘旋管Gyrotron测高雷达Height-finding radar水平极化场矢量Horizontally polarized field vector喇叭天线Horn antenna 环行电桥Hybrid ring液压泵Hydraulic pump阻抗匹配Impedance match 天线阻抗匹配Impedance match of antenna输入阻抗Input impedance 天线罩插入相移Insertion phase of a radome阵列单元的孤立阻抗Isolated impedance of an array element天线间的隔离Isolation between antennas干扰压制系数Jamming blanket factor干扰调制样式Jamming modulation type干扰信号带宽Jamming signal band width速调管Klystron激光雷达Laser radar 线阵天线Linear array antenna 负载阻抗Load impedance低空搜索雷达Low altitude surveillance radar主振放大式发射机M.O.P.A. transmitter磁脉冲调制器Magnetic pulse modulator 磁控管Magnetron磁控管灯丝电压控制电路Magnetron filament voltage controlling Circuit主瓣零点宽度Main (major) lobe zero beamwidth航海雷达Marine radar 矩阵阵列Matrix array 气象雷达Meteorological radar微波带通滤波器Microwave band-pass filter 微波场效应晶体管放大器Microwave field effect transistor amplifier微波全息雷达Microwave hologram radar微波低通滤波器Microwave low-pass filter 副瓣电平Minor (side) lobe level机动雷达Movable radar 阵列天线的互耦Mutual coupling of an array antenna多模馈电器Multimode feed 多基地雷达Multistatic radar多端网络Multiport network导航雷达Navigation radar 噪声调幅干扰Noise AM jamming噪声调幅调相干扰Noise AM-PM jamming 归一化差斜率Normalized difference slope 单通道单脉冲雷达One-channel Monopulse Radar开环系统频率特性Open-loop system frequency characteristic运算放大器Operational Amplifier超视距雷达Over-the-horizon radar过压保护电路Overvoltage protection circuit 抛物柱面天线Parabolic cylindrical antenna 参量检测器Parameter detector无源雷达Passive radar相位检波器Phase detector 移相器Phase detector相控阵天线Phased array antenna 锁相接收机Phase-locked receiver相位扫描雷达Phase-scanned radar脉冲压缩雷达Pulse compression radar 脉冲雷达接收机Pulse radar receiver相控阵的量化误差Quantization error of a phased array雷达精度Radar accuracy 雷达反侦察Radar anti-reconnaissance天线罩Radome采样频率Sampling frequency 舰载雷达Shipbased radar船用雷达Shipboard radar 侧视雷达Side-looking radar旁瓣对消Sidelobe Cancellation固体微波振荡器Solid state microwave oscillator合成孔径雷达Synthetic radar目标识别雷达Target-identification radar三通道单脉冲雷达接收机Three-channel monopulse radar receiverT型〔Y型〕环行器〔结环行器〕T-type(Y-type) circulator (junction circulator)静电控制超高频电子管〔栅控管〕UHF electronstatic control tubeV形波束雷达V-beam radar压控晶体振荡器V oltage controlled oscillator 波导谐振腔Waveguide cavity天气雷达Weather radar X-Y型天线座X-Y type antenna pedestal八木天线Yagi antenna雷达覆盖范围Zone of radar coverage零轴漂移Zero-axsis drift雷达工作模式：目标捕获系统：The tention action system(该系统配备有嵌入式惯性导航系统和全球定位系统，可在雷达快速展开时提供雷达位置坐标。