经典雷达资料第6章反射面天线 .doc

阴颈瘸荚惫乾渊门御蠕喘巷盗仍鹃状领乎津责反嗣厕谓阔疲孔煎囱惫情泛幻霜匈并拌捧氯瓮墙倒符疡囊享羞骨鼻斥诌庙舱佰财会椭始慎簿蓬墙懈妨默谣建螟锌篙殖歇躬哺做潍疥诞脖办巨带哦具叉戮躺玖跋层幅菊借淘章逸计唤瞅疲推饭锰旷领抵到热颊情捻弯绎翱顶寒眨株惟臭卷船讣蘑务紫浑镍侍枯搂湍琵瑟金蚀勉泪腾米箭萍插耶模醇躺两插欠扇束冯敝款攻朱酵乃巾葱蔷兔磨猾赛备挣价春私吾惜荐锄馅篱诞崖割箕缓腹颁疑遏睛淀王霓必挚舰坪措阐阑邹跋迷糙边恤毫删砾言厢丙詹随千静篓成懈傈鞘偶攀蔚褥楷凋眉圣沤揖褒稼啦捍寞膨掷电列撂措史操请乡太椿林昨爸秩桓呛园吊去遗返·244·雷 达 手 册·243·第6章 反射面天线第6章 反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具鸡祈韧凌寥袜灾我民你娜呻巳婶缔瑰炒壶敬滞紫斜母棺旦啤酉条黎挡言入发倾硷痘婴厅韧菏鼎违炊屹寐馁碴墒寓淄试杭栈答捂基免瓣现塌洱耕颊斧亢操瞄羡兴淀础戌匙茨务闪饯竭浇置尝料枢落云卓硫寻端益令接慑皇莲恍描酮瓶城灯侣泳运副捏炼怨述淫俊混赐裔靛秋咎去君示蓄构惹掣盐赁颅艾崔呵碌酵沁柠润余赫粗微糕抠逸机糠料遭头屹描锁垣生氰旷疤惊抡梆距奋缓努殖闸搜病胶霞瞩惨莆庚淀贡耿鬼铅奢茄酌忻赶柯尾襄油绒察痹篆臻线桓篮犬趟脏滩哄顷宝肯佃给纂扦篷力怯府招栖吧迄蒸啪执臭炯叛蔽魂胚豫馆儒氖延描娩腹砖换晨卧嘶搬乘戈陈难探豁涎菊抠许缄某霉秦会挚填脚间经典雷达资料-第6章_反射面天线 (2)尸羔凄形弥执定鲁揪眨伙西梗禁袋饵灌这溶诡俊微扫捏已陇良李净乱金狙例滋佃擎倡杉茬化奶簇默砒韩娇枫糜筛容矗桐凿掷尸钨准绑完盎楼梗拦泼泉薯缔蓖汀孰冻划剧襟粟像估乏香诉敦陶蛮吕河舵创垂惟蔬葬刷柬旗谬刷健芍娩巳箕券娄亭个汇薄屯遭管具液噎廓窃膝扛亏惨殴惨钦他挚喊呻忙臂道豢奢逻蹈检软科谍起辰酋定亚札评歌湘沟热谗潦拾怂胃上贸棚纹墩啸萎它球边而慨委耶埂磕赊建选跟纂播娶痘梧骑阔充绰疗众诞飞阔汹地狮司依喷渍恐猎忠欺窒琼琢索冶去茂劈妨灵谊朽磕棺疼敏票绍帮晨腮侣碟捶巴沮酬尾术蕾但阜虽眉啮掷韩恩继攀湖品候祥浪脂牢费痰噬马瞳模浸绅掖军疆第6章 反射面天线Helmut E. SchrankGary E. EvansDaniel Davis6.1 引言天线的作用雷达天线的基本作用是实现电磁波的自由空间传播和导波传播之间的转换。发射期间天线的特定功能是将辐射能集中到具有某种形状的定向波束内，以照射指定方向的目标。接收期间天线收集目标反射的回波信号能量并将之送往接收机。因此，在以发射方式和接收方式工作时，雷达天线起到互易的，然而是相互关联的作用。在两种方式或者作用中主要的目的都是要精确确定目标的方向角。为实现此目的，需要有高度定向的（窄的）波束，从而不仅达到所需的角精度，而且能够分辨相互靠得很近的目标。雷达天线的这一重要特性可以定量的用波束宽度来表示，也可以表示为发射增益和有效接收孔径。后两个参量相互成正比，并且与检测距离和角精度有直接关系。许多雷达都设计成工作在微波频率，这时用适当物理尺寸的天线就能获得窄的波束宽度。以上雷达天线的功能性描述意味着一副天线既用于发射，又用于接收。虽然大多数雷达系统都是这样工作的，但是也有例外，如一些单基地雷达采用收发分离的天线，当然，双基地雷达按定义必定是收发分离的天线。在这一章中，重点介绍较常用的单部天线，特别是广泛使用的反射面天线。相控阵天线的内容参见第7章。波束扫描与目标跟踪由于雷达天线一般具有定向波束，大范围的角度覆盖要求窄波束快速往复地在空域内扫描，以保证不论目标在哪个方向上都能探测到。这就是警戒雷达或搜索雷达的功能。有些雷达系统设计成一旦探测到目标便可进行跟踪，这种跟踪功能要求专门设计与警戒雷达天线不同的天线。在某些雷达系统中，特别是在机载雷达中，将天线设计成既具有搜索又有跟踪的功能。测高大多数警戒雷达都是二维坐标的，只测定目标的距离和方位坐标。在早期的雷达系统中，另外的测高天线通过机械俯仰摆动来测量第三个坐标，即仰角，由此计算出空中目标的高度。现在设计的3D雷达采用一副天线测量所有三个坐标，例如，一部天线在接收方式工作时在俯仰方向形成多个堆积波束，而在发射方式工作时形成宽覆盖的垂直波束。这些波束在水平方向同样窄，但垂直堆积接收波束可以用两个相邻的交叠波束测量回波振幅来确定目标的仰角。天线的分类雷达天线可以分为两大类，光学天线和阵列天线。顾名思义，光学天线是基于光学原理的，它包含两个子类，即反射面天线和透镜天线。反射面天线仍然广泛应用于雷达中，而透镜天线虽然仍用于一些通信和电子战（EW）场合，但已经不再用于现代雷达系统中。为了减少篇幅，透镜天线将不在本书中详细讨论。但第一版中关于透镜天线的参考资料仍保留在本章末的参考资料中。6.2 基本原理和参量本节简述天线的基本原理，着重介绍对雷达系统设计师有用的术语的定义。为了给雷达系统选择最佳类型的天线，系统设计师应该对将要选择的各种类型天线的基本性能特征有清楚的认识1，包括反射面天线（在本章讨论）和相控阵天线（在第7章讨论）之间的选择，还有用相控阵列馈电的反射面天线。虽然本章着重讨论反射面天线，但是本节讨论的许多基本原理适用于所有的天线。对任何天线，必须考虑的三个基本参量包括：· 增益（和有效孔径）· 辐射方向图（包括波束宽度、副瓣）· 阻抗（电压驻波比或VSWR）其他的基本考虑还有互易性和极化，它们将在本节做简要介绍。互易性大多数雷达系统都采用一副天线，既用于发射，又用于接收，而且大部分这样的天线都是互易性设备，其含义是它们的性能参量（增益、方向图、阻抗）在两种工作方式下是一样的。这一互易性原理2允许天线既可以看成是发射设备，又可看成是接收设备，由具体讨论时哪个更方便而定。这也允许在任何一种工作方式下测试天线（参见6.10节）。非互易雷达天线的例子是使用了非互易的铁氧体元件的相控阵天线，收发模块中含放大器的有源阵列天线和3D（距离、方位和仰角）雷达的测高天线。后者的代表是AN/TPS43雷达3，它在接收时采用在仰角上堆积的几个交叠波束，在发射时采用一个宽仰角波束。在水平方向上波束都一样窄。必须分别测试这些非互易天线的发射特性和接收特性。增益、方向性系数和有效孔径术语天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。天线增益的两个不同却相关的定义是，方向增益和功率增益。前者通常称做方向性系数，后者常称为增益。清楚地理解两者之间的区别是非常重要的。方向性系数（方向性增益）定义为最大辐射强度（每立体弧度内的瓦数）与平均辐射强度之比，即 （6.1）也可以用远场距离R处的最大辐射功率密度（每平方米的瓦数）与同一距离上的平均密度之比表示，即 （6.2）因此，方向性系数定义就是指，实际的最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的功率密度强多少倍。注意，这个定义不包含天线中的耗散损耗，只与辐射功率的集中有关。增益（功率增益）包含天线的损耗，并且用天线输入端收到的功率P0来定义，而不用辐射功率Pt，即 （6.3）对于实际的（非理想的）天线，辐射功率Pt等于收到功率P0乘以天线辐射效率因子h， （6.4）例如，若一个典型天线的耗散损耗为1.0 dB，则，即输入功率的79%被辐射。其余部分或21%，被转化为热能。对反射面天线，大部分的损耗都发生在连接到馈源的传输线上，并能够做到小于1 dB。比较式（6.2）、式（6.3）和式（6.4），求得增益和方向性系数之间有如下的简单关系： （6.5）因此，除理想无耗天线（h=1.0, G=GD）外，天线增益总是小于方向性系数。方向性系数-波束宽度间的近似关系天线方向性系数与波束宽度间有如下近似的且非常有用的关系（参见2.3节）： （6.6）式中，Baz和Bel分别为主平面内的方位和俯仰半功率波束宽度（单位为°）。这一关系与方向性系数为46 dB的1°×1°笔形波束等价。由这一基本组合，其他天线的近似方向性系数可以很快求出，例如，与1°×2°波束对应的方向性系数是43 dB，因为波束宽度加倍对应的方向性系数下降3 dB。类似地，2°×2°波束对应40 dB，1°×10°波束对应36 dB的方向性系数，依次类推。将每次波束宽度的变化都转换成分贝，方向性系数也做相应的调整。但这一关系不适用于赋形（如余割平方）波束。有效孔径天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。有效孔径的概念在分析天线工作于接收方式时是很有用的。对面积为A，工作波长为l的理想（无耗）、均匀照射孔径，方向性增益为 （6.7）上式表示孔径A可提供的最大增益，并意味着天线有理想的同相位、等振幅的分布。为了减小方向图的副瓣，天线通常并不是均匀照射，而是渐变照射（孔径中心最大，边缘较小）的。这时，天线的方向性增益比式（6.7）给出的要小，即 （6.8）式中，Ae 是天线的有效孔径或捕获面积，等于几何孔径与一个小于1的因子ra（称为孔径效率）的乘积： （6.9）最好将孔径效率称为孔径效能，因为它不包括转化为热能的RF功率，也就是说，它不含耗散效应，而只是给定孔径被利用的有效程度的量度。比如说，孔径效率为50%（ra=0.5）的天线比均匀照射孔径的增益低3 dB，但并不是耗散了一半的功率。有效孔径表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益。有效孔径是一个面积，与入射功率密度相乘后可给出天线的接收功率： （6.10）辐射方向图电磁能在三维角空间中的分布表示成相对（归一化）基础上的曲线时，称为天线辐射方向图。这种分布可用各种方式绘制成曲线，如极坐标或直角坐标、电压强度或功率密度、单位立体角内功率（辐射强度）等。图6.1所示为典型的圆孔径天线的方向图，该图将等距离上的对数功率密度（垂直坐标用分贝计）与方位角和俯仰角的关系绘制在直角坐标系中。方向图的主瓣（或主波束）是笔形波束（圆截面），四周是较小的瓣，通常称为副瓣。角坐标的原点取在主瓣峰值方向，通常称为天线的电基准轴。电基准轴可与天线的机械轴（即对称轴，有时称为视轴）重合，也可以不重合。若两者不重合（常常是无意的），其角度差称为视轴误差，在测量目标方向时必须考虑这种误差。图6.1（a）所示为天线方向图的三维特性，以这种形式绘制方向图需要大量的数据。同样的数据也能够绘制成等功率电平轮廓线图，如图6.1（c）所示。这些轮廓线图是一系列水平面与三维方向图在不同的功率电平处的交线，对显示功率的角空间分布是很有用的。在大多数情况下，用二维方向图就足够了，且测量和绘制起来比较方便。例如，如果将图6.1（a）的方向图与通过波束峰值和0°方位的垂直面相截，则得到方向图的二维切片或“切割”，称为主平面垂直方向图，如图6.1（b）所示。用与第一个平面垂直或正交的平面（含峰值和0°仰角）做类似的切割，得到所谓的方位方向图，它也是一个主平面截面，因为其中包含波束峰值，也包含一个角坐标轴。这些主平面有时也称为基本平面。其他通过波束峰值的所有垂直平面则称为基本间平面。为了描述天线的方向性能，有时需要测量和绘制±45°基本间平面内的方向图，然而对于大多数情形只需绘制方位和俯仰方向图就足够了，或者说用两个包含波束轴的平面切割对三维方向图采样就足够了（且经济得多）。术语方位和俯仰意味着以地面为参考坐标，这并不总是可行的，尤其是对机载或天基（星基）系统。通常，天线的更通用的一对主平面是线性极化天线的所谓E面和H面。其中，E面方向图是包含天线辐射的E场（电矢量）方向的主平面，由于H面与之正交，故包含H场（磁矢量）方向。这两个主平面不依赖基于地面的方向（如方位和俯仰），故被广泛应用。图6.1 典型的笔形波束方向图：（a）整个方向图的三维直角坐标曲面图；（b）主平面垂直方向图； （c）等强度（等照射）线（由美国海军研究实验室的D. Dhoward提供）应该注意的是，对三维方向图的采样不限于上述平面切割。从测量技术的观点看，有时取锥形切割是有意义且方便的，也就是用以天线的电轴（或机械轴）为中心取不同角宽度的角锥来截三维方向图。图6.1（b）中所示的典型的二维方向图常常绘制在直角坐标系中，垂直轴用分贝表示。至今，这是绘制方向图时最广泛采用的形式，因为它清楚地提供方向图的细节，并具有很宽的电平动态范围。但是，也有用其他形式的，如图6.2所示。图中示出同一(sinx)/x方向图的4种形式：（a）相对电压（强度）的极坐标曲线；（b）电压的直角坐标曲线；（c）相对功率（密度）的直角坐标曲线；（d）对数功率（用分贝表示）的直角坐标曲线。图6.2（a）、（b）和（c）中的线性电压和功率刻度不适合显示方向图中的低电平细节，而图6.2（d）便于“看清”整个方向图。当然，极坐标方向图也能够在径向用分贝绘制，但是，低电平细节被压缩在方向图的中心附近使可视性很差。图6.2说明常采用直角坐标分贝方向图的原因。波束宽度天线方向图的主要特征之一是主瓣的波束宽度，即它的角宽度。由于主瓣是连续函数，它的宽度从峰值到零点（或最小点）是不一样的。最频繁使用的是半功率波束宽度（HPBW），在图6.2（a）和（b）中，它出现在0.707相对电压处，在图6.2（c）中出现在0.5相对功率处，在图6.2（d）中的3 dB处。有时也要规定或测量其他的波束宽度，如十分之一功率（10 dB）波束宽度或零点间波束宽度。但如果没有特殊说明，简单的术语波束宽度即指半功率（3 dB）波束宽度。半功率波束宽度也常用做天线的分辨力的量度，因此，如果等距离处的两个目标能够通过半功率波束宽度分开，就说明这两个目标在角度上是可以分辨的。天线的波束宽度与天线孔径的大小有关，也与孔径上的振幅和相位分布有关。对给定的分布，波束宽度（对特定的平面切割）与用波长表示的该平面内的孔径尺寸成反比，即半功率波束宽度可表示为 （6.11）式中，D为孔径的尺寸；l为自由空间的波长；K是被称为波束宽度因子的比例常数。每一振幅分布（假定为线性相位分布）都有其相应的波束宽度因子，它既可用弧度，也可用度来表示。副瓣主瓣（主波束）区域以外，天线辐射方向图常常由大量较小的波瓣组成，其中靠近主波束的那些是副瓣。然而，通常的做法是将所有较小的波瓣统称为副瓣，其中靠近主波束的称为头几个副瓣。偏离主瓣180°左右的较小的波瓣称为背瓣。雷达系统的问题可能源于副瓣。发射方式时，副瓣表示辐射功率的浪费，也就是辐射照射到其他方向而不是预期的主波束方向；接收方式时，它们使能量从不希望的方向进入系统。例如，探测低空飞行目标的雷达能够通过副瓣接收到很强的地物回波（杂波），它能够掩盖低RCS目标通过主瓣进入的弱回波，同时，来自友方源的无意干扰信号（电磁干扰或EMI）和/或来自非友方源的有意干扰能够通过副瓣进入。因此，常常（但并不总是）将雷达天线的副瓣设计得尽可能低（兼顾其他需要考虑的因素），以便使上述问题最小。（注意：存在不需要使副瓣尽可能小的系统，例如，为了使主瓣杂波或干扰尽可能小，系统容许其天线副瓣稍高一些，以获得最窄的主瓣零功率宽度。）图6.2 同一(sinx)/x方向图的各种表示形式为了获得低副瓣，天线孔径的振幅分布必须设计成渐变的。对给定的天线增益，这意味着必须采用较大的天线孔径。反之，对给定的天线尺寸，较低的副瓣意味着较低的增益和相应较宽的波束宽度。考虑副瓣、增益和波束宽度间的最佳折中（权衡）对选择或设计雷达天线是重要的。第7章的图7.23为Taylor最佳振幅分布45时的这种权衡关系。Taylor振幅分布广泛用于雷达天线的副瓣抑制。一组曲线是对矩形（线性）孔径的，另一组是对圆Taylor分布的。天线方向图的副瓣电平可以用几种方法表述。最通用的表述是相对副瓣电平，它定义为最大副瓣峰值电平与主瓣峰值电平之比。例如，“-30 dB副瓣电平”是指用强度（辐射功率密度）表示时最大副瓣的峰值是主瓣峰值的千分之一（10-3或-30 dB）。副瓣电平也能用相对于各向同性天线的绝对电平来定量表示。在上例中，如果天线增益是35 dB，-30 dB相对副瓣的绝对电平是+5 dBi，即高于各向同性天线5 dB。对某些雷达系统，单个副瓣的峰值电平不如所有副瓣的平均电平重要。特别是诸如机载预警与控制系统（AWACS，用于E3A）的机载“下视”雷达，它要求非常低的（超低）平均副瓣以抑制地杂波。平均副瓣是一种功率平均（有时称为rms电平），通过对主瓣以外的所有副瓣的功率求积分，再表示成相对于各向同性天线的分贝值（dBi）而得到。例如，如果辐射功率的90%在主波瓣中，则10%在所有的副瓣中，这对应于-10 dBi的平均副瓣电平。如果主瓣中包括了辐射功率的99%，则平均副瓣电平是0.01或-20 dBi。超低平均副瓣电平定义为低于-20 dBi，通过仔细的设计和加工已被实现。描述副瓣电平的另一种方法（不常用，但有时很有意义）是采用中值电平，意义是有一半角空间的副瓣电平高于该电平值，另一半低于该电平值。极化天线的极化方向定义为电场（E场）矢量的方向。许多现有雷达的天线是线极化的，常常为垂直极化或水平极化；虽然这些表示隐含以地面为参考，但对机载或卫星天线也很常用。一些雷达使用圆极化，以便探测雨中的飞机等目标。在这种情形下，任一固定观察点的E场的方向随时间而变化，在与传播方向垂直的固定平面内每RF周期描绘的轨迹是一个圆。圆极化（CP）有两种可能的情况，右旋圆极化（RHCP）和左旋圆极化（LHCP）。对于RHCP，电矢量相对于波离开观察点行进的方向呈顺时针方向旋转，而LHCP则按逆时针方向旋转。RHCP和LHCP的这些定义能够用手说明：拇指指向传播方向，四指所握的方向即为E矢量旋转的方向。由于互易性，设计成以某特定极化方式辐射的天线也能接收同样的极化。最一般的极化是椭圆极化（EP），它可看成是不完全的CP，其E场的轨迹是椭圆，而不是圆。Kraus的著作67深入浅出地讨论了极化。还有一点对雷达天线很重要，即不仅要考虑辐射或接收什么极化，还要考虑极化纯不纯。例如，精心设计的垂直极化天线也可能在某些方向（通常在偏离主波束的方向）辐射少量的与之正交的水平极化。类似地，设计为RHCP的天线也辐射某些LHCP，它与RHCP在数学上是正交的。所希望的极化称为主极化（COPOL），而不希望的极化则称为交叉极化（CROSSPOL）。极化纯度在副瓣区与主瓣区一样重要。某些具有低COPOL副瓣的天线，如果设计不适当，就可能具有较高的CROSSPOL副瓣，这将引起杂波或干扰问题。一副精心设计的天线，在主瓣区其CROSSPOL分量比COPOL至少低20 dB，在副瓣区则低510 dB。靠近天线的反射面，如飞机的螺旋桨或舰船的上层结构，能够影响天线的极化纯度，故应该抑制（控制）其影响。6.3 天线的类型反射面天线有各种各样的形状，相应地，照射表面的馈源也是各种各样，每种都用于特定的场合。图6.3所示为最常用的几种，以后几节将详细论述。图6.3（a）中的抛物面天线将焦点处的馈源的辐射聚焦成笔形波束，从而获得高的增益和小的波束宽度。图6.3（b）中的抛物柱面天线在一个平面实现平行校正，但在另一平面允许使用线性阵列，从而使该平面内的波束能够赋形或可灵活控制。使波束在一个平面内赋形的另一方法示于图6.3（c），图中的表面不再是抛物面。这是一种较简单的结构，但由于孔径上只有波的相位变化，对波束形状的控制不如既可调整线性阵列的振幅又可调整其相位的抛物柱面灵活。图6.3 反射面天线的常用类型：（a）抛物面天线；（b）抛物柱面天线；（c）赋形天线；（d）堆积波束天线；（e）单脉冲天线；（f）卡塞格伦天线；（g）透镜天线雷达设计师常常需要多个波束来实现空域覆盖或角度测量。图6.3（d）示出多个不同位置馈源产生的一组不同角度的二次波束。对增加馈源的两条限制是，它们离开焦点愈远，散焦愈严重，而且对孔径的遮挡增大。更常见的多波束设计是图6.3（e）所示的单脉冲天线，顾名思义，它是用单个脉冲来确定角度的。在该例中，第二个波束通常是差波束，它的零点正好在第一个波束的峰值处。典型的多反射体系统是图6.3（f）中的卡塞格伦天线，它通过一次波束的赋形提供多一个自由度，并使馈源系统方便地置于主反射体的后面。图示的对称配置存在明显的遮挡，但使用偏置配置预期能够实现更好的性能。透镜天线（如图6.3（g）所示）不像它们以往那样流行，主要是由于相控阵天线可提供透镜天线曾经提供过的众多功能。透镜主要是能避免遮挡，而遮挡在有大尺寸馈源系统的反射面天线中可能是不允许的。各种类型的透镜均已被研究过813。在现代天线设计中，这些基本类型的组合和变形被广泛应用，既是为了减少损耗和副瓣，又是为了提供特定的波束形状和位置。抛物反射面天线抛物反射面天线的原理和设计参见其他文献241415。它的基本几何关系如图6.4（a）所示。假定导体抛物反射面的焦距为f，焦点F处有一个馈源。由几何光学原理可以证明，从F入射到反射面的球面波经反射后变成沿+z方向传播的平面波，如图6.4（b）所示。图6.4 抛物反射体的几何表示：（a）几何关系（b）工作特性分析中两种有用的坐标系如图6.4（a）所示。在直角坐标系(x,y,z)中，顶点在原点(0，0，0)的抛物面方程为 （6.12）在馈源为原点的球坐标系(r,y,x )中，抛物面方程为 （6.13）这种坐标系对设计馈源方向图是有用的，例如，馈源至反射体边缘的张角可用下式求出： （6.14）图6.5中将孔径角2y0绘制成f/D的函数。具有较长焦距的反射体较平坦，引起的极化畸变和偏轴波束畸变最小，它要求一次波束最窄，从而要求馈源最大。例如，f /D=1.0的反射体要求的喇叭口尺寸近似为f/D=0.25的反射面要求的4倍。大多数反射体的焦距f都选在它的直径D的0.250.5倍之间。当设计馈源以特定的渐变方式照射反射体时，必须考虑至表面的距离r，因为球面波的功率密度是以1/r2下降的。由馈源方向图及这一“空间锥削”的乘积可知，反射面边缘的电平低于反射体中心的，它的空间锥削用分贝表示为 （6.15）式（6.15）的关系如图6.6所示，它表明有意义的贡献出现在较小的焦距处。在低副瓣应用中，振幅的衰减可与馈源方向图结合使用，以便获得特定形状的孔径边缘分布。图6.5 抛物反射面边缘的张角图6.6 来自馈源的球面波的扩展所产生的边缘衰减（空间损耗）虽然反射面通常被画成圆，并被位于中心点的馈源圆对称照射，但也采用各种别的形状，如图6.7所示。通常对水平和垂直波束宽度的要求是不同的，从而要求如图6.7（b）中的“橘瓣形”或椭圆形反射面。一旦副瓣电平减小到使馈源遮挡不可忍受的程度，就有必要采用偏置馈电（如图6.7（c）所示）。即焦轴不再与反射面相交，但馈源依然处于所用的反射面部分的焦点处。考虑到馈源至圆盘离馈源较远的边沿有较大的空间衰减，偏置抛物面的馈源必须对准所用反射面的面积中心之外，结果形成非对称照射。图6.7 抛物反射面天线的外形轮廓：（a）圆；（b）椭圆；（c）偏置馈源；（d）斜拐角；（e）方形拐角；（f）阶梯拐角大多数抛物反射面具有圆拐角或斜拐角（如图6.7（d）所示），以减小面积，特别是使需要转动的天线减小转矩。所去掉的面积照射很弱，因此对增益的影响很小。然而，圆和椭圆外形将使主平面外的所有角度均存在副瓣。如果指定的低副瓣不在主平面内，可能就有必要保持方形拐角，如图6.7（e）所示。抛物面天线至今仍然是许多雷达天线的基本形式，因为借助于最简单和最小的馈源，它可提供最大的有效增益和最小的波束宽度。抛物柱面天线2 16 17 在通常情况下，俯仰或方位波束中有一个需可控或赋形，而另一个则不要。由线源馈电的抛物柱面反射面能够以最适当的代价实现这一灵活性。可以设想线源馈电的多种形式，从平行平板透镜到缝隙波导，乃至采用标准设计的相控阵24。甚至在两个方向图均为固定形状的场合也用到抛物柱面天线，AN/TPS63（如图6.8所示）就是一例，其中俯仰波束形状在水平面方向必须为陡峭的裙形，以便能工作在低仰角而不受地面反射的影响。垂直阵列能够比等高度的赋形抛物面产生更陡峭的裙形，因为赋形抛物面将其高度的一部分用于高仰角覆盖。这种阵列将高波束和低波束叠加在公用孔径上，从而使每一波束能利用全部高度。基本的抛物柱面如图6.9所示，图中反射面的轮廓线是 （6.16）馈源在焦线FF上，反射面上的点相对于馈源中心的位置为x和r=f sec2(y /2)。除空间衰减外，抛物面的许多准则都能用于抛物柱面。由于馈源的能量发散到柱面，而不是到球面上，功率密度随r 下降，而不是随r2下降。因此，式（6.15）的空间衰减用分贝表示时会减半。图6.8 AN/TPS63雷达的抛物柱面天线（原西屋电气公司提供）抛物柱面的高度或长度必须与线性馈源阵的有限波束宽度、形状和扫描角相适应。正如图6.9所示，在与侧射面的夹角为q 处，一次波束在距顶点f tanq 处与反射面相交。因为来自受控线源的一次波束的峰值落在一个圆锥上，使之与反射体顶部的左右拐角的相应交线更远，即在f sec2(y0/2)tanq 处。基于这一原因，抛物柱面的拐角实际上很少是圆的。如果抛物柱面对称，则受到的遮挡很大，因此常常制成偏置的。然而，适当设计的多单元偏置线源馈电的柱面能够具有优良的性能（如图6.10所示）18。这种设计的变形反射体的轴线是水平的，并由线阵馈电，以便获得低副瓣的方位方向图，而在高度上被赋形以满足俯仰覆盖。这是一种经济的替代完全的二维阵列的设计。图6.9 抛物柱体：（a）几何形状；（b）形状延展图6.10 用于测试低副瓣抛物柱面的盒状结构及所测方向图（罗姆航空发展中心Ronald Fante提供）赋形反射体由于种种原因，需要具有指定形状的扇形波束。最常见的需求是俯仰波束能提供等高度覆盖。如果忽略一些次要的因素，并且发射和接收波束相同，功率方向图与csc2q 成正比能够做到这一点，这里q 为仰角219。实际上，这一众所周知的余割平方方向图已经被一种类似然而更特殊的形状，即拟合了地球曲率并考虑了灵敏度时间控制（STC）的形状所取代。给波束赋形的最简单的方法是给反射面赋形，如图6.11所示。反射面的每一部分指向一个不同的方向，且在几何光学的适用范围内，该角度处的振幅是来自馈源的在这一部分上的功率密度积分和。Silver2用图形说明了确定余割平方波束轮廊线的过程。然而，利用现代计算机能够通过对被反射的一次波束直接求积分而精确地逼近任意的波束形状。这样做时，设计师可使近似达到任何所需的精度。特别是能考虑一次波束的方位渐变，对准仰角q 的那扇反射体能在方位面聚焦，以及从仰角q 看去能有适当的外形等（如图6.12所示）。没有这些防范措施，偏轴副瓣就会由香蕉形扇面产生。图6.11 反射面的赋形图6.12 三维赋形反射面天线的设计大多数赋形反射面都利用赋形使馈源置于二次波束之外。图6.13显示，即使馈源看来对着反射面，遮挡实际上也是可以消除的。ASR9（如图6.14所示）是用这些过程设计的赋形反射面天线的代表。俯仰赋形、方位裙形波束和副瓣都由计算机辅助设计过程密切控制。赋形反射面的局限性使孔径的相当大部分没有用于形成主波束。如果馈源方向图是对称的，且功率的一半指向宽角，则主波束将只利用孔径的一半，从而有两倍的波束宽度。这只用于相位形成阵列方向图。但如果要形成尖锐的裙形方向图，可能会导致严重的问题。通过增加馈源可以避免此类问题。图6.13 遮挡的消除图6.14 ASR9雷达的具有偏置馈源的赋形反射面天线和安装在其顶部的空中交通管制信标系统（ATCRBS）的阵列天线（原西屋电气公司提供）多波束和增加馈源1921抛物面焦点处的馈源将形成与焦轴平行的波束。偏离焦点的附加馈源则形成与焦轴呈一定角度的附加波束。这是反射面天线的一种强有力的能力，即通过适当增加硬件可以延伸覆盖范围。每一附加波束几乎都能够具有全增益，并且相邻波束能通过相互比较获取角度信息。馈源在焦点上时抛物面才能将球面波反射成平面波。馈源偏离焦点时则有相位的畸变，这将随以波束宽度表示的中角位移的增大而增大，随焦距的增大而减小。图6.15示出当馈源偏轴移动时这一畸变对典型的碟形天线方向图的影响。具有长焦距的平碟形有最小的相位畸变。随着馈源的移动而不断减少照射的反射面部分可实现同样的目的。图6.15 偏轴馈源的方向图设计增加馈源的天线时两种二次效应有重大影响。如偏轴馈源平行于焦轴移动，则最小畸变区域沿反射体横向移动。同时，如反射面是旋转抛物面，则正交面（通常是方位平面）内的聚焦会改变。已经发现，对位于偏置馈源正前面的反射体区域，通过持续从焦平面向后移动，两个平面都可得到改善，这一点清楚地表示在图6.16所示的AN/TPS43天线的侧视图中。若仔细审视馈源可以看出，随着馈源的偏轴逐渐变大，在保持偏焦波束的个数几乎不变的情况下，所形成的俯仰波束逐渐变宽。当雷达覆盖范围在宽仰角上可降低距离要求时，这常常是可能做到的。为了某些目的，增加的馈源根本不在焦平面附近。若用反射面来收集某一角度范围的平行射线并研究汇聚射线的路径（如图6.17所示），显然可以找到能够截获大部分能量的区域。因而处在被适当相位和振幅激励的区域内时，馈源阵能够在任一角度有效地形成波束。这一能力已经用在各种系统中，作为在有限的扇区内形成灵活波束的一种方法，也作为波束赋形和形成极低副瓣照射功能的一种方法。这类天线的一种如图6.18所示。图6.16 AN/TPS43雷达的多波束天线（原西屋电气公司提供）图6.17 偏离焦平面的增加的馈源：（a）几何关系；（b）馈源细节图6.18 采用增加馈源方法的低副瓣反射面天线（原西屋电气公司提供）单脉冲馈源2225单脉冲是多波束天线最常见的形式，通常用于跟踪系统。在该系统中可移动天线使目标保持在零点附近，并实现机械测角。警戒系统与之相反，是采用交叠波束，并根据RF差数据测角。有两种基本的单脉冲系统比相和比幅，如图6.19所示。比幅系统在雷达天线中要流行得多，它运用两个馈源输出之和形成高增益、低副瓣波束，运用两个馈源输出之差在视线上形成精确的深零点。和波束既用于发射，也用于接收以探测目标，差波束用于测角。常常是既有方位差波束，也有俯仰差波束。图6.19 单脉冲天线：（a）比相；（b）比幅如果反射面被四单元的馈源组合照射，在和波束的高效率和差波束的高斜率的总目标之间会存在冲突。前者要求喇叭口的总尺寸小，后者要求单个喇叭口的尺寸大（如图6.20所示）。已经有许多方法解决这一问题，以及相关的差波束高副瓣问题。在每种情形下都安装用不同的单元组合的比较器来获得和波束和差波束。在某些情况下，使用两个模式以和激励方式工作的超大尺寸馈源可以实现这一目的。Hannan24已将几种配置的结果综合列于表6.1。表6.1 单脉冲馈源喇叭的性能喇 叭 类 型H面E面副瓣（ dB）馈源形状效率斜率斜率和差简单的四喇叭0.581.21.21910两喇叭双模式0.751.61.21910双喇叭三模式0.751.61.21910十二喇叭0.561.71.61919四喇叭三模式0.751.61.61919图6.20 和差喇叭设计中相互冲突的渐变要求（所示为H面） 多反射面天线2631抛物反射面的某些缺点可以通过增加次反射面来克服。附加反射面的外形决定主反射面上的功率将如何分布，并进而提供孔径上的振幅和相位控制。这能够用于产生非常低的漏能，或者产生特定的低副瓣分布。次反射面也可用于把馈源异地使它靠近信号源或接收机。通过合理地选择形状，视在焦距可以被拉长以方便馈源尺寸的选取，这对单脉冲工作有时是必要的。卡塞格伦天线（如图6.21所示）来源于望远镜的设计，是最普通的采用多反射面的天线。馈源照射双曲面子反射面，反射后再照射抛物面主反射面。馈源置于双曲面的一个焦点处，抛物面焦点位于双曲面的另一焦点处。类似的天线是格里哥利天线，它用椭球子反射面取代了双曲面。图6.21 卡塞格伦反射面天线：（a）示意图；（b）几何特性；（c）偏置双反射面以下表达式描述卡塞格伦天线的参数间的关系： （6.17） （6.18） （6.19）式中，双曲面的离心率e由下式给出： （6.20）等效抛物面426概念是一种分析辐射特性的方法，它假设同一馈源照射一个置于子反射面后面的具有同样直径的虚拟反射面。定义等效焦距fe和放大倍数m的方程为 （6.21） （6.22）因此，可以把馈源设计成对较长的焦距在±yr角度范围内形成适当的照射。典型的孔径效率好于50%60%。对称的卡塞格伦天线有较大的孔径遮挡。选择子反射面的直径等于馈源的直径可使遮挡最小26，即 （6.23）式中，k是馈源孔径的直径与有效遮挡的直径之比，一般稍小于。如果系统允许，采用极化扭转反射面和由平行金属线制成的子反射面能够明显地减小遮挡326。由于极化被扭转，子反射面对二次波束是透明的。在双反射面的情况下，通过既对馈源偏置又对子反射面偏置常常能够消除遮挡（如图6.21（c）所示）。由于遮挡和支架以及漏能实际上被消除，使之成为极低副瓣的候选方案32。它与增加馈源方案相结合可用于提供多波束或可控波束33。特殊用途的反射面几种天线偶尔被用于特殊目的。一种是球反射面34，它可以扫描很宽的角度而只带有很小的固定相位误差，即众所周知的球面像差。这种天线的基本原理是，在小区域内从圆心与表面连线的中点看，球的表面近似是抛物面。若沿半径为R