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2.3雷 达 天 线
雷达天线的作用是在自由空间传播和导行波（传输线）传播之间作换能器。在发射时，天线的功能是把辐射能量集中到所要求方向的赋形波束内。而在接收时，天线接收回波信号中所含的能量，并把它输送给接收机。所以，要求雷达天线能完成两种相反的、但又相关的任务。在雷达方程中，这两种作用系用发射增益和有效接收口径来表示。这两个参数互相成比例。一个有效接收口径大的天线，其发射增益也大。 远距离探测要求天线具有大的口径，从而使雷达的另一个重要特性——波瓣宽度变窄，这在有效对付各种自然和人为的干扰方面也大为有利。如果要进行精确测角或要分辨相互靠近的目标，则窄的波瓣是重要的。雷达采用微波频率的优点是：可使天线口径尺寸做得较小，而又若干倍于波长，因此易于获得窄的波瓣宽度。
雷达天线的特点在于它具有高方向性的波束，并进行扫描，通常是快速扫描。在光学中熟知的抛物面反射器，在雷达中得到了广泛的应用。绝大多数雷达天线使用各种型式的抛物面反射器，但有些雷达则采
阵列天线
用微波透镜或机械旋转的阵列天线，而电子扫描相控阵是一种具有极其可贵特性的天线，它在雷达应用中具有重要意义。
一般而言，雷达天线既是发射天线又是接收天线。根据天线理论中的互易性定理，从发射天线所获得的结果，可以很容易地应用到接收天线，反之亦然。
2.3.1.1 增益
方向性增益：衡量天线把能量集中到某一特定方向的能力参数称为增益。两个不同却又互相有关的天线增益定义是方向性增益和功率增益。前者有时称作方向性，而后者常简称为增益。对于雷达系统工程师来说，这两个定义都很重要。方向性增益是天线方向图的描述，而功率增益则更适于在雷达方程中使用。
发射天线的方向性增益可以定义为：
平均辐射强度最大辐射强度 D G , 2-3-1
式中辐射强度是指在（θ,φ）方向上每单位立体角内的辐射功率，并用P （θ,φ）表示。把辐射强度画为角坐标的函数的图形称作辐射强度方向图。把功率密度或单位面积的功率画为角度的函数的图形称作功率方向图。当用相对值画这些图形时，即当两者的最大值都归一化为1时，功率方向图和辐射强度
方向图是完全一样的。都称作天线辐射方向图。
由于在4π弧度立体角内的平均辐射强度等于总辐射功率除以4π，所以由式(2-3-1)定义的方向性增益可以写为：
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()天线总辐射功率单位立体角最大辐射功率/4G π=
D 2-3-2
抛物面天线的天线辐射方向图的一个例子如图2.3.1所示。它的主瓣位于零度。在这一特定的辐射方向图中，它有一些特点，首先是在主瓣边上有残瓣或肩瓣，天线辐射方向图并不一定都有残瓣。它可能是由于口径照射误差引起的，是不希望有的。在大多数天线中，代之出现的是第一副瓣。如果口径上的相位分布不是一个常数，则第一副瓣和主瓣连成一片而形成残瓣。接着第一副瓣的还有一系列副瓣，离主瓣的角距离愈远，副瓣的幅度愈小。在两侧（本例中为从1000到1150）附近，来自馈源的溢出辐射使得副瓣电平上升。这是由没有被反射器截获的、从馈源辐射的能量引起的。这个辐射方向图在反方向上（1800
）还有一个显著的波瓣，它是由于反射器的绕射效应。以及通过栅网反射器的网格直接泄漏而引起的。
这个方程式指出了从辐射方向图求方向性增益的步骤。单位立体角内的最大辐射功率可由观察直接求得，而总辐射功率可通过积分求出辐射方向图下面所含体积来得出。式（2-3-2）可以写为： ()()B d d P πφθφθφθπ4,P 4G max
D ＝，＝⎰⎰ 2-3-3
式中B 定义为波束面积(beam area)：
()()max ,,φθφθφθP d d P B ⎰⎰=
2-3-4
图2.3.1 实际抛物面反射器天线辐射方向图
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如果在整个波束面积内每单位立体角的功率均等于P (θ,φ) max ，则总辐射功率所占有的立体角称为波束面积。实际上，它定义了一个等效天线方向图。如果θB 及φB 是在两个正交平面内的波瓣宽度，则波束面积近似等于θB φB 。代入式(2-3-4)得到：
B B B B D G φθπφθπ2
4≈≈ 2-3-5
上式是在假设波束形式为高斯形时导出的，式中θB 、φB 定义为半功率波瓣宽度。 功率增益：方向性增益的定义主要是基于辐射方向图的形状。它并没有计入耗散损耗。计入天线耗散损耗的增益是功率增益，用G 表示，但这一增益仍不包括由于阻抗失配或极化失配引起的系统损耗。定义为两种形式：
()天线所收到的净功率单位立体角
最大辐射功率/4π=G 2-3-6a
射强度在同样功率输入时的辐各向同性（无耗）天线该天线的最大辐射强度=G 2-3-6b
在雷达方程中应使用功率增益，因为它包括了由天线引入的损耗。方向性增益总是大于功率增益，它在研究作用距离、精度或分辨率时是很有用的，并且与天线波瓣宽度有更密切的联系。这两种天线增益之间的差别一般是很小的。功率增益和方向性增益可以用辐射效率因子ρT 联系起来，其关系如下式所示：
D T G G ρ= 2-3-7
辐射效率也即天线总辐射功率与在天线端口上所收到的净功率之比。总辐射功率与所收到的功率之差是在天线内所耗散的功率。辐射效率是天线的一种固有特性，它与阻抗匹配或极化匹配等因素无关。
天线增益与波瓣宽度之间的关系决定于口径上的电流分布。“典型”的反射器天线有时可使用粗略的经验公式：
B B G φθ000
,20≈ 2-3-8
式中θB 、φB 是在两个基本平面上测出的半功率波瓣宽度，单位为度。
方向性增益和功率增益的定义都使用了最大辐射强度。因此，这样定义的增益描述了辐射能量的最大集中程度。两个增益同样都是角度的函数。辐射方向图的纵坐标常常用归一化增益表示，称为相对增益。遗憾的是“增益”这个术语既用来表示最大增益，也用来表示作为角度的函数的增益。应当作哪种解释，通常可由上下文来决定。
上面用发射天线解释了功率增益和方向性增益的定义。天线理论的一个基本定理是互易性。这一定理为：在一定的条件下（实际上这些条件在雷达中常能满足），天线的发射方向图和接收方向图是一样的。所以，不论天线是用于发射，还是用于接收，增益的定义同样适用。实际上，发射天线和接收天线之间的唯一区别是发射天线必须能承受较大的功率。
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2.3.1.2 有效口径
与增益有关的另外一个有用的天线参数是有效接收口径，或有效面积。可以把它看作天线对入射波所呈现的有效面积的量度。一个无耗天线的增益G 和有效面积Ae 之间有如下关系：
2244λπρλπA A G e e
== 2-3-9
式中：λ＝波长； A ＝天线的实际面积； ρe ＝天线的口径效率；
2.3.1.3极化
极化方向定义为电场矢量的方向。大多数雷达天线是线极化的，即电场矢量的方向或是垂直的，或是水平的。也可以是椭圆极化或圆极化的。椭圆极化可以看作是由两个同频率同方向传播，并在空间上相互垂直的线极化波合成的。这两个线极化波的相对幅度，以及它们之间的相位关系可为任意值。如果这两个线极化波的幅度相等，并且在相位（时间）上相差900，则变成圆极化波。圆极化及线极化是椭圆极化的特殊情况。椭圆极化的椭圆度常常用轴比来表示，它是极化椭圆的长轴和短轴之比。
在普通雷达天线中，线极化用的最多，因为它最容易获得。究竟是采用水平极化还是垂直极化，往往由天线设计师根据情况来选定，但有时雷达系统工程师根据地面反射的重要程度，可能要指定采用某一种极化。例如，对于工作在VHF 或UHF 波段的远程空中搜索雷达，可采用水平极化，以获得较远的作用距离。因为地面反射波将与直接辐射波相叠加。在必须穿过气象干扰进行观察的雷达中，常常采用圆极化。
2.3.1.4副瓣辐射
图2.3.1示出了典型天线副瓣辐射的例子。雷达应用中一般要求低副瓣。如果在副瓣内含有相当大的辐射能量，则主瓣内的能量将减少，最大增益将降低。
确定最佳副瓣电平并没有一般的法则。这由实用中的要求和要得到低副瓣在技术上的难度如何而定。如果副瓣太高，强回波信号会进入接收机而产生假目标。副瓣电平过高使雷达容易受敌人干扰，也更容易受到附近的己方发射机的干扰。
最靠近主瓣的第一副瓣，一般是最高的副瓣。由波导喇叭馈电的典型抛物面反射器天线，其第一副瓣可以做到比主瓣低23dB 至28dB 为了得到较低的第一副瓣，要求高度锥变的口径照射，即在口径边缘处的照射远小于口径中心处的照射。反射器天线不容易做到低副瓣辐射所要求的、精确锥变的口径照射。与反射器天线相比，阵列天线由于具有很多辐射元件，它更适于作到低副瓣口径照射。口径照射设计良好以及认真仔细的安装、调试，第一副瓣可做到比主瓣低40dB 至50dB 。高增益天线通常要求这样低的副瓣（和无方向性天线的辐射相比较，一个低副瓣天线的最大副瓣可能比无方向性辐射电平低10dB 到15dB ）。要得到非常低的副瓣，需要仔细制造天线，保证要求的机械公差和电气公差。只要天线表面有一个很小的误差，就会使低副瓣天线的最大副瓣增加。而且，在天线附近必须没有能够把能量反射到副瓣区域，引起高副瓣的障碍物。为了得到同样的波瓣宽度，一个低副瓣
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天线可能比普通的天线大20％～30％。
2.3.1.5 口径效率
口径效率是实际天线方向性与最大可能的方向性之比。用均匀口径照射可获得最大的方向性。虽然口径效率似乎越高越好，但是很少把口径效率作为衡量雷达天线质量的一个指标。通常其它一些因素更为重要。例如，均匀照射将带来高的副瓣，这是不希望有的，一般愿意牺牲口径效率来作到低副瓣。当监视雷达要求有一个赋形波束，例如余割平方方向图，这时更重要的是如何得到所需要的总的方向图，而不是简单地在波瓣的峰值处使方向性最强。
口径效率仅是波瓣中心处的辐射强度的量度。然而在搜索雷达中，我们关心的不只是波瓣中心处的辐射强度，还有整个波束的辐射强度。当天线扫描一个目标时，接收到多个回波。目标的检测判决是根据所收到的多个回波的能量，而不只是波瓣中心照射目标时所接收到的能量。因此重要的不只是最大的方向性，还有由雷达所处理的多个回波积分所形成的总的方向性。选择口径照射的较好一种判据是：在所指定的角度范围内，使辐射的能量最大。实际雷达天线常这样选择口径照射，而较少采用均匀口径照射。
在单脉冲跟踪天线中，当目标被波束中心跟踪上时，为使方向性最强，可采用均匀照射。然而，和波束方向图为均匀照射的单脉冲天线，其差波束方向图很差，甚至在允许副瓣较高时，它仍达不到要求，所以必须加以折衷，通常不采用均匀照射。
因此，口径效率这个参数，虽然天线设计师及提出天线指标的人有时较为重视，但着眼于整个雷达性能的系统工程师常常将其放在第二位。它常常为某些更重要的指标让路。
2.3.2 天线辐射方向图
从天线发射出去的辐射所产生的电场强度E（φ）是口径上电流分布的幅度及相位的函数。将组成口径的各个电流元产生的电场矢量相加，可以得出E（φ）。将口径内所含全部电流元产生的电场按数学求和，可得出用积分表示的电场强度。在一般的情况下，这个积分不易计算，但可以进行近似计算，即按照不同的数学近似式将天线口径周围的空间分成三个区域。这三个区间之间的界限并不是很明显的，相互之间可以有些重合。
最邻近口径的区域是近场。它一直延伸到距口径为几倍天线直径的地方。
近场之外是菲涅耳区。在菲涅耳区中，从辐射口径到观察点（或目标）的射线是不平行的，并且天线辐射方向图随距离变化。天线工程师有时分别将近场和菲涅耳区称之为电抗性近场区及辐射近场区。在雷达中极少工作在这两个区。
离口径最远的区域是夫琅和费（Fraunhofer）区，或远场。在夫琅和费区内，辐射源和观察点相距足够远，因此可以认为从口径发出的射线在目标处（观察点）相互平行。雷达天线工作在夫琅和费区域。
菲涅耳区和夫琅和费区之间的“边界”R F通常取为R F＝D2/λ或R F＝2D2/λ，其中D 是口径的尺寸，λ是
波长，D和λ以同一单位计量。在距离D2/λ处，均匀照射天线的增益为无限远处夫琅和费区的增益的0.94。在2D2/λ处，其增益为无限远处夫琅和费区增益的0.99。
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