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  • 从技术上来说,波束赋形和波束导向一样简单,即两个或更天线以受控的延迟或相位偏移来发射信号,从而创造出定向的建设性干涉波瓣。简单波束导向创建的波瓣TD-LTE系统中所用的波束赋形是一个相对更加复杂的命题,...
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    1 波束赋形基础知识

    “波束赋形”一词有时会被滥用,从而引起混淆。从技术上来说,波束赋形和波束导向一样简单,即两个或更多的天线以受控的延迟或相位偏移来发射信号,从而创造出定向的建设性干涉波瓣。

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    简单波束导向创建的波瓣

    TD-LTE系统中所用的波束赋形是一个相对更加复杂的命题,部分原因是终端设备具有移动的特性。一种称为Eigen波束赋形的技术会使用关于RF信道的信息从统计上对发射天线组件的幅度和相位参数进行加权判断。虽然 Eigen波束赋形并非计算最密集的波束赋形类型(还有一种称为最大比率发送的方法也会执行相同类型的权重判断,但只针对每个子载波),但当它被用于组件数较高的8 &TImes; n MIMO系统时,无论是在实施中,还是在系统开发的验证阶段中,都将是一个极具挑战性的命题。

    2 TD-LTE与8&TImes;n MIMO

    多数计划中的TD-LTE部署都是围绕8个天线组件的发射天线而设计的。在这些系统中,4个有一定距离间隔的天线组件被物理指向某个角度。另外,4个组件的布置方式是,每个都分别与前4个天线组件同轴,而且后4个天线组件中每一个都指向其各自的配对组件。

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    双波束赋形系统创造出的垂直极化波束

    由4个方向类似的组件组成的每一组都形成了一个可以瞄准某个特定方向的波束。这4个无线电链路之间的关联程度很高,而两个垂直极化波束则显示出较低程度的相互关联,形成类似2&TImes;n MIMO的系统,因此也就可以发射多层或多个数据流。因此,这样的系统在实现MIMO系统数据速率最大化优势的同时,还可充分发挥波束赋形优化特定方向信号强度。这种系统通常被称为双层波束赋形系统,其中的每一层都可以代表一个独立的数据流。

    双层MIMO波束赋形系统既可用作单用户MIMO系统(SU-MIMO),即两个数据流都被分配给单个用户终端,也可以用作多用户(MU-MIMO)系统,即个数据流均被分配给不同的用户终端。这样为网络运营商提供巨大的灵活性,使之能够选择性地部署覆盖能力最大的系统,或者是单个用户数据吞吐量最大的系统。

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    3 波束赋形工作原理

    在任何一种波束赋形系统中,系统都必须能够估计目标用户终端的方向。在FDD系统中,这是用户终端 以预编码矩阵指标(PMI)的形式进行反馈的功能,而TD-LTE的信道互易性取消了这一要求。在TD-LTE系统中,用户终端会向基站发送一个信道报告信号,基站通过检查相同极化天线之间的相对相位差,能估计出用户终端的到达方向(DoA)。需要注意的是,尽管这种估计是在上行链路中执行的,基站仍可利用信道互易性,根据对上行链路的估计在下行链路中执行发送任务。

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    接下来,根据估计出的DoA,基站会动态调整天线阵列中每个组件的“天线权重”(相对幅度和相位),将波束引向所期望的用户,并且/或者将零信号引导至不需要干涉所在的方向。图 1显示的便是这一基本概念。

    上面的场景事实上只是简单的波束导向。Eigen波束赋形会加入一些智能处理,但其期望的基本效果是相同的:系统会利用互易性对下行信道的参数做出估计并据此调整天线权重。

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    4 测试波束赋形

    在实验室中创建真实MIMO测试平台时可能遇到各种挑战,而其中很多都已在过去被人们发现并得到了解决。由于波束和MIMO链路组件的空间特性,在实验室中进行的测试必须实施正确的极化和真实的天线方向图才能创造出有效的测试环境。

    TD-LTE则增加了超出简单MIMO测试的更多要求:上行和下行链路必须在衰退和传输功能特性方面表现出互易性。在测试实验室中,这并不像看起来那么简单。现代信道仿真器必须由单向RF信道组成。要想精确仿真互易信道,就需要在产生同步的、精确重复衰退方面下大量的功夫。在多数测试中表现良好的信道仿真器并不一定适用于TD-LTE测试,除非它能够在上行和下行链路中生成几乎完全相同的信道条件。

    另外一个关键的关注领域就是相位精度和校准。近几个月中,人们在这个看似神秘的话题方面做了很多的工作,在基于实验室的最新型RF信道仿真技术取得了新的进展。在实践中,相位校准会受下列因素的影响:

    (1)调整信道功率水平。

    (2)调整信噪比 。

    (3)改变信道模型。

    (4)调整频率。

    (5)断电重启。

    尽管SISO和非波束赋形MIMO系统对于这些过程造成的轻微相位偏移并不敏感 ,但MIMO波束赋形对与相位有关的精度不良现象尤为敏感。

    下图显示的是一个DoA错误为ε度的典型8天线统一线性阵列的辐射模式。8度的错误会导致波束赋形增益出现10 dB的损失,而当错误达到14度时,整个链路都将损失殆尽。

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    相位错误及其对波束赋形增益的影响(8天线线性阵列)

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  • 前7章介绍相控阵天线(包括有源相控阵天线)、馈线网络原理、相控阵雷达天线波束指向、波束形状的捷变能力及发射和接收多波束形成方法及相控阵雷达主要工作方式。后4章讨论相控阵雷达信号检测,角度、速度和特征参数...
    0e420807a761c928c01f8548583bece7.png《相控阵雷达原理》是《相控阵雷达技术丛书》的总体分册,共11章。前7章介绍相控阵天线(包括有源相控阵天线)、馈线网络原理、相控阵雷达天线波束指向、波束形状的捷变能力及发射和接收多波束形成方法及相控阵雷达主要工作方式。后4章讨论相控阵雷达信号检测,角度、速度和特征参数测量的原理与方法,对有关相控阵技术包括宽带相控阵雷达技术也进行了简要介绍。《相控阵雷达原理》从相控阵雷达系统角度讨论问题,对深入了解《相控阵雷达技术丛书》中各分册的内容是一种概括和补充。《相控阵雷达原理》可供从事雷达、通信、电子对抗/反对抗、导航等专业的科研、教学、使用人员参考,也可作为相关高校教师和学生的参考书。 
    • 书    名:相控阵雷达原理
    • 作    者:张光义
    • ISBN:9787118065718
    • 定    价:109.00 元
    • 出版社:国防工业出版社
    • 出版时间:2009年12月
    • 开    本:16开
    • 作者简介

    张光义,四川泸州人。中国工程院院士。1962年2月毕业于莫斯科动力学院无线电技术系,同年回国。历任南京电子技术研究所总体室主任、副所长、副总工程师、总工程师,国家863高技术计划信息领域专家委员会委员、责任专家,国防科工委科技委雷达共性技术专业组组长,电子科技大学、西安电子科技大学、南京航空航天大学兼职教授,现任南京电子技术研究所科技委主任、中国人民解放军总装备部雷达探测技术专业组顾问。1997年当选为中国工程院院士。20世纪60年代,负责中国第一部大型相控阵预警雷达的总体设计,攻克阵面相位控制和修正等一系列关键技术。80年代,组织研究固态有源相控阵技术、超低副瓣天线技术、自适应数字波束形成技术、相控阵制造工艺等,解决了雷达发展的许多关键技术问题。1978年获全国科学大会奖,1985年、1994年先后获电子工业部科技进步特等奖和一等奖各1项,1995年获国家科技进步二等奖1项。1985年获国家有突出贡献中青年专家称号。著有《相控阵雷达系统》、《空间探测相控阵雷达》、《相控阵雷达技术》等。

    • 目录

    第1章 概论1.1 雷达任务与相控阵雷达发展1.1.1 雷达发展简况1.1.2 雷达观测任务1.1.3 对雷达发展的新需求1.2 现代雷达系统概念与相控阵技术1.2.1 单部雷达系统1.2.2 多部雷达及其他传感器构成的雷达系统1.3 相控阵雷达概述1.3.1 相控阵天线简介1.3.2 相控阵雷达组成1.3.3 相控阵雷达技术1.4 相控阵雷达的特点1.4.1 相控阵天线的主要技术特点1.4.2 相控阵雷达的主要工作特点1.5 相控阵雷达的发展1.5.1 初期发展阶段的主要需求与推动力1.5.2 相控阵技术在战术雷达中的应用参考文献第2章 相控阵雷达天线2.1 相控阵雷达天线的类型2.2 线性相控阵天线2.2.1 线性相控阵天线原理2.2.2 线性相控阵天线波束的特性2.2.3 相控阵天线波束栅瓣的形成与抑制2.2.4 时间延迟器对抑制栅瓣的作用2.2.5 宽波束一维相扫雷达中方位与仰角的耦合2.3 平面相控阵天线2.3.1 平面相控阵天线原理2.3.2 平面相控阵天线方向图的分解2.3.3 平面相控阵天线波束栅瓣形成条件2.3.4 天线单元按三角形排列的平面相控阵天线2.3.5 平面相控阵天线的波束宽度与增益2.4 共形相控阵天线2.4.1 共形相控阵天线的作用2.4.2 共形相控阵天线原理2.4.3 圆形相控阵天线原理2.4.4 共形相控阵天线的应用2.5 实现低副瓣相控阵天线的方法2.5.1 幅度加权法的系统考虑2.5.2 密度加权相控阵天线2.5.3 相位加权2.6 多极化相控阵天线原理2.6.1 多极化相控阵天线单元与不同极化波的形成2.6.2 椭圆极化波参数与椭圆极化波的合成与分解2.7 相控阵雷达的极化工作状态与多极化相控阵天线的构成2.7.1 相控阵雷达的极化工作状态2.7.2 圆极化相控阵天线的极化不匹配损失2.7.3 多极化相控阵天线的构成参考文献第3章 相控阵雷达天线的馈线网络3.1 馈线网络的主要馈电方式3.1.1 强制馈电3.1.2 空间馈电3.1.3 空间馈电与强制馈电结合的混合馈电方式3.2 相控阵天线的馈相原理3.2.1 天线波束扫描的相位控制、时间控制及移相器的选择3.2.2 实现信号相移的基本原理3.2.3 移相器实现相移的工作频率3.2.4 MEMS移相器与时间延迟线3.3 串行馈电网络3.3.1 串行馈电与馈相3.3.2 频率扫描天线的馈线网络3.3.3 采用串联移相器的相控阵列天线3.4 子天线阵划分与馈线网络3.4.1 按“馈相矩阵”的子阵划分方法3.4.2 按小面阵方式实现的馈线网络3.4.3 平面相控阵天线的子阵划分与“块移相器”的原理与应用3.5 馈相方式与随机馈相原理3.5.1 数字式移相器的位数与天线波束的波束跃度3.5.2 数字式移相器的虚位技术3.5.3 随机馈相原理3.6 馈线网络中信号幅度与相位一致性要求与幅度、相位误差的测量调整3.6.1 相控阵天线信号幅度、相位误差的影响3.6.2 馈线网络中节点反射对通道间幅度相位一致性的影响3.6.3 馈线网络在放大器输出端的驻波系数计算3.6.4 馈线网络的幅度与相位监测方法参考文献第4章 相控阵雷达天线波束的捷变能力4.1 相控阵天线波束指向捷变的实现4.1.1 相控阵天线波束指向与波束控制数码的对应关系4.1.2 一维相扫雷达波束指向及其对应的波控数码4.1.3 天线单元不规则排列相控阵天线的波控数码计算4.2 不同工作状态下波控数码的计算4.2.1 跟踪状态时波控数码的计算4.2.2 跟踪状态对最小波束跃度的要求4.2.3 频率捷变时天线波束指向与波控数码的对应关系4.3 波控系统的响应时间与天线波束的转换时间4.3.1 搜索状态时波控系统的响应时间与天线波束转换时间4.3.2 跟踪状态时的波控系统响应时间与波束转换时间4.3.3 降低波束系统响应时间的措施4.4 波束控制系统的组成4.4.1 波束控制系统的结构4.4.2 波束控制系统的组成对波束捷变的影响4.5 相控阵雷达天线波束形状的捷变能力4.5.1 相控阵天线波束形状与口径照射函数的关系4.5.2 相控阵天线的副瓣抑制4.5.3 用相位加权实现天线波束形状的改变4.5.4 天线波束展宽的实现参考文献第5章 相控阵雷达的多工作方式5.1 相控阵雷达的主要性能5.1.1 相控阵雷达的主要战术指标5.1.2 影响相控阵雷达系统性能的主要技术指标5.2 相控阵雷达的搜索方式及其控制参数5.2.1 相控阵雷达搜索方式的控制参数5.2.2 相控阵雷达搜索数据率计算5.2.3 常用搜索方式5.3 相控阵雷达的跟踪工作方式5.3.1 从搜索到跟踪的过渡过程5.3.2 跟踪数据率与目标跟踪状态的划分5.3.3 边跟踪边搜索(TWS)与跟踪加搜索(TAS)工作方式5.3.4 跟踪时间的计算5.3.5 跟踪目标数目的计算5.4 搜索与跟踪工作方式下雷达作用距离计算5.4.1 脉冲雷达作用距离的形式5.4.2 搜索工作模式的作用距离计算5.4.3 跟踪工作模式的作用距离计算5.5 相控阵雷达工作方式的能量管理5.5.1 信号能量管理的调节项目与调节措施5.5.2 按目标远近及其目标反射面积大小进行信号能量管理5.5.3 搜索与跟踪状态之间的信号能量分配5.5.4 波束驻留数的选择与信号能量管理参考文献第6章 多波束相控阵雷达6.1 多波束相控阵天线的应用6.1.1 多波束单脉冲测角……第7章 有源相控阵雷达第8章 相控阵雷达信号检测第9章 相控阵雷达角度测量第10章 相控阵雷达的距离与速度测量第11章 目标特征测量与宽带相控阵雷达技术符号表缩略语电子书下载:在公众号里给发消息:

    相控阵雷达原理

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  • 从PHY的角度来看,当AP拥有比需要传输的空间流更的发射天线时( ),可以利用分集增益并可以形成更“干净的波束”。另外,在STA侧,额外的额外的接收天线()也将为STA提供额外的抗干扰能力。相对于Beamforming...

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    802.11ac只支持DL MU-MIMO,其主要优点是AP不会因为给某个较数据速率的传输数据而拖慢整体网络的传输效率。从PHY的角度来看,当AP拥有比需要传输的空间流更多的发射天线时(

    ),可以利用分集增益并可以形成更“干净的波束”。另外,在STA侧,额外的额外的接收天线(
    )也将为STA提供额外的抗干扰能力。

    相对于Beamforming技术,应用于MU-MIMO中使用的CSI对信道变化更为敏感,因为对于Beamforming,如果使用的“预编码”矩阵中参数没有得到更新,造成的影响是系统传输性能下降,最坏情况时下降到没有使用Beamforming的效果;但是当使用MU-MIMO时,如果针对特定用户的“预编码”矩阵中参数没有与信道进行精确匹配,则来自其他客户端的数据流会变成干扰项叠加到目标客户的数据流中,导致该用户端的信号被严重干扰,因此CSI必须具有更高的分辨率且更新频率也需要更高。

    MU-MIMO技术原理介绍

    MU-MIMO主要涉及两类预编码技术:线性和非线性。

    线性预编码包含信道逆化(Channel Inversion),块对角化技术;

    非线性预编码包含脏纸编码技术(DPC);

    Wi-Fi中使用的是快对角化线性编码,其思想来源于信道反转和SVD矩阵分解,也就是之前介绍的Beamforming技术中使用的奇异值分解。下面就分别介绍信道逆化以及块对角化这两种技术,在介绍中都先忽略噪声的影响。

    信道逆化可以表达为以下数学形式:

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    其算法原理很简单,AP侧数据发送之前直接乘以信道H的逆矩阵,那么接收侧每个用户收到的就直接是数据了。但是此方法有一个隐含的条件,即需要

    。因为广义信道H是一个
    的矩阵,而H矩阵可逆的前提是H至少是一个方阵。注意,这里强调的是
    而不是
    ,因为
    ,其中
    的矩阵,扩展矩阵Q是
    的矩阵。

    因为使用DL MU-MIMO的前提条件是

    ,且信道逆化需要
    ,对于每个STA是单天线的接收机的情况下,信道逆化的方法可以提供比较好的性能,对于每个STA不只有1个接收天线的情况下,在满足以上条件的情况下信道逆化的方法也可以使用,但是由于
    客观的也要求每个STA的接收天线数目要等于接收的数据流数目,即
    。如果某个STA存在2个RX天线,则需要对应的接收2条空间流,一般来说STA类终端两根接收天线物理间隔较近,相关性强,使用这样的两根接收天线接收两条数据流性能不一样能达到预期的效果。

    块对角化的方法在原理上与信道逆化的方法类似,但是这种方法可以灵活地处理流数目与天线数目不同的情况,其方法就是使用扩展矩阵Q将流与天线数进行匹配,如下所示,每个用户的数据

    在经过信道之前乘以权重矩阵
    ,这样就摆脱了信道逆化方法中需要
    的限制了。

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    经过这么处理之后的MU-MIMO信号传输可以如下形式,其中

    矩阵,
    矩阵。

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    如果上式中的

    项当
    时,
    ,则可以转变成一种我们很希望得到的形式:

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    这种情况可以认为用户之间的信道是正交的,那么用户之间的数据就可以在相同的空间中同时传输而互相不影响,而问题就转化成了寻找一组

    ,使得不同用户之间的信道正交化。

    关于

    的设计,不同的文献中提及多重方法,这里主要介绍《MIMO-OFDM wireless communications with matlab》以及《Next Generation wireless LANs 802.11n and 802.11ac》中提出的两种方法。

    《MIMO-OFDM wireless communications with matlab》中提出的W矩阵得出方法如下:

    1. 首先构建除了第u个用户之外的其他所有用户的信道矩阵

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    2. 对

    进行SVD分解:

    bf6aada2553a7c2f49a5366833fd4b42.png

    3.得出W矩阵为:

    f2ff06cf09a64ecd2e7f142cb880d743.png

    以一个NTX=4,NRX1=2,NRX2=1,NRX3=1的系统为例

    其某一个频点的信道频域相应如下:

    9b0bc195a0fd2c76e1f46eec61f78013.png

    1. 首先得出每个用户u的

    矩阵:

    11f8b4b0c59f73ce90864d97389e5edf.png

    2. 对

    , 以及
    进行SVD分解:

    6e65291744a6681f1667f17380d74797.png

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    3. 得出W矩阵为:

    2b2a1180567f6a009ec96a4429c2816f.png

    最后我们来验证一下这种方法得出的Q是否是我们预期的:

    48fac3344a71729daa3019e81855557a.png

    从上式可以看出,除了

    的项之外,其余的
    都已经变为了0。

    《Next Generation wireless LANs 802.11n and 802.11ac》中提出了另一种W矩阵得出方法:

    1. 首先分别对

    做SVD分解;

    2. 将

    组成
    矩阵:

    25961cb6f8fedcf3eea9fbe9c947eb3a.png

    3. 得出W矩阵:

    20e288c837caed40c224d446ca7a580b.png

    同样以一个NTX=4,NRX1=2,NRX2=1,NRX3=1的系统为例:

    1. 首先对
      做SVD分解:

    f2f67147c6d5e4ee19c31052f95873a9.png

    组成

    矩阵:

    009e235c0ae837172f79db9e8b46de00.png

    得出W矩阵:

    752959fea24a5a8d8b9fa03e4ee5df9d.png

    最后我们再来验证一下这种方法得出的Q是否是我们预期的:

    7fdfbce61e386cb4f78588925e05fd02.png

    从上式可以看出,除了

    的项之外,其余的
    都已经变为了0。同时也可以看出对于同样的H,可以有不同的W使其满足除了
    的项之外,其余的
    都已经变为了0。

    由此可以看出对于相同的H矩阵,W矩阵的并不唯一。

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  • 我们“雷达通信电子战”微信公众号对相控阵基本原理的介绍已有很,具体可查看《相控阵雷达基础:汇总》,这其中列出了一部分,但不是全部。更的相控阵相关内容可以进入公众号进行关键词搜索或者点击“阅读原文”...

    我们“雷达通信电子战”微信公众号对相控阵基本原理的介绍已有很多,具体可查看《相控阵雷达基础:汇总》,这其中列出了一部分,但不是全部。

    更多的相控阵相关内容可以进入公众号进行关键词搜索或者点击“阅读原文”查看。今天,主要和大家详细分析一下影响相控阵天线波束宽度的因素。

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    波束宽度

    相控阵天线采用电子扫描的方法实现雷达波束的无惯性扫描,因此相控阵也叫电子扫描阵列(ESA)。对于相控阵天线辐射的电磁场及其能量分布通常用归一化的天线方向图来描述,它反映波束形状、天线增益、副瓣等特性。

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    波束的指向始终与等相位面垂直,而等相位面由阵元间的馈相关系确定,因此在各个阵元都是等幅馈电情况下,线性阵的波束方向图函数为sinc函数。

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    下面我们先仿真一个极坐标下线阵的波束扫描动图,其中外圈标注的是度数0~360°,0°表示垂直于线阵的方向。其中,一圈一圈的环代表的是幅度,这里进行了归一化,指向0°时是0dB。仿真时设置:N=32,d=λ/2,波束指向从0~60°,再从60~0°,得到下面的动图:

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    今日给“雷达通信电子战”微信公众号发送“190722”可下载上面动图的Matlab仿真代码,有效期为7天。失效后可联系我们的客服1号(ID:RCEW-1)了解下载方法。

    从该动图可以看出:1. 随着波束指向角度的增大,波束宽度变胖,当达到60°时,变胖了一倍。2. 随着波束指向的增大,增益降低。3. 没有进行降低旁瓣的加权,旁瓣较高。

    上面是通过仿真的动图看到了波束扫描时波束变化的大致情况,下面通过公式详细分析影响相控阵雷达波束宽度的因素,这里直接给出一维均匀线阵波束宽度的计算公式:

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    通常,均匀口径照射情况下3dB波束宽度的k=0.886,若是4dB波束宽度的k=1;其他也可以定义10dB波束宽度等。

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    天线口径

    天线口径越大,波束越窄。从上面的公式可以看出当天线口径(N*d)越大,也就是阵元数越多,阵元间距越大,波束越窄;直观的理解就是线阵越长,波束宽度就越窄!

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    扫描角

    随着扫描角度的增大,波束宽度会变宽,扫描角正负60度时,其余弦值为1/2,相比于0度时增大了一倍;随着扫描角度的继续增加,不仅仅是波束宽度会恶化,天线增益也会恶化。

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    因此扫描角通常一般不大于正负60度,这也是某些战舰或预警机上用三四块天线来覆盖360度空域的原因。

    波长

    从公式还可以看出在天线口径不变的情况下,波长越长,波束宽度越大;例如:对于机载火控雷达,可用空间就那么大,因此更适合使用波长短的更高频段,以便获得更窄的波束。

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    更多与波长相关的知识可以查看《那些与“雷达波长”,不得不说的关系!》

    阵元间距和栅瓣

    阵因子是一个周期函数,如果阵元间距取值不合适,相控阵天线扫描时的辐射场会在主瓣以外形成与主波束类似的有规律的辐射波束,常被称为栅瓣。一个好的ESA设计必须考虑栅瓣的影响,这里直接给出结果:

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    实际中当然不会那么极端,相控阵的最大扫描角既不会是0度,也不会接近90度;假如线性阵的波束最大扫描角度为60度,那么阵元间距d小于0.54的波长就不会出现栅瓣了。所以,在可以的范围内适当增大天线阵元间距以减少数量来达到相同的口径降低成本。

    还有一点需要注意的就是这里的波长要选择工作带宽中最短的波长来计算,这是因为间距如果保证了最短波长的情况都不出现栅瓣了,那它肯定也就满足了波长更长的情况。

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    总结来说,“阵元间距取半波长左右”基本不会有啥问题;如果你想放宽一点,那就要结合你的最大扫描角进行权衡了;如果你想看看出现删瓣的情况,动图有(设置阵元间距d=0.7λ)。

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    有一点需要注意,这里仿真图中90~270°内出现波束是因为这里仿真的每个阵元都是全向天线,由于仿真时设置了扫描角从0~60°,因此栅瓣出现在270~330°(-90~-30°)范围内。

    今日给“雷达通信电子战”微信公众号发送“190722”可下载上面动图的Matlab仿真代码,有效期为7天。失效后可联系我们的客服1号(ID:RCEW-1)了解下载方法。

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