深入解读相控阵与阵列天线

相控阵雷达最大的优点是能够智能的实现大空域内的波束扫描，增益也较大，能够对观察范围内的目标进行准确跟踪、识别，并且能同时跟踪多个目标的动态，反馈信息，进行计算机的分析。
 
相控阵雷达可以在设定的空域内获取目标信息，根据目标，快速灵活地改变天线波束和指向形状，能够对整个空间内的各频段电磁波进行发送和接收，这是相控阵天线的空域滤波功能，即可对多个目标实现搜索、跟踪、捕获、识别等任务的精确完成。
 
一、机械扫描与电扫描
 
波束扫描方式不同
 
相控阵天线的发展以相控阵雷达为基础，相控阵雷达是20世纪60年代发展起来的一种电扫描式雷达，改进了之前的机械扫描式雷达。
 
1. 机械扫描式雷达是通过转动雷达天线实现波束扫描。
 
2. 电扫描式雷达则是通过控制天线阵元馈电方法灵活控制波束指向。
 
换句话说，相控阵天线的波束图变化是通过计算机控制的，它的天线参数会随着波束扫描角的变化而变化，此外相控阵天线的结构参数也会影响天线的波束方向图形状，（阵元间距、阵元排列形式，馈电系统等参数）
 
AN/FPS-115
 
“铺路爪”相控阵雷达，是上世纪70年代研制出来的远程预警雷达。即使是今天，5000+公里的探测距离也是相当不错的。
 
AN/FPS-115 “铺路爪” 雷达
 
它是由两个平面阵组成，两个圆形无线阵面彼此成60度，每个阵面后倾20度，直径约30米，由2000个阵元组成。扫描一次所需时间为6秒，平均无故障工作时间可达450小时。用来探测弹道导弹，测试各个参数，如速度、位置、发射和着落点等，可以覆盖240°的方位角以及3°~85°的高低仰角，探测距离一般为4800公里，对高弹道、雷达截面为10平方米的潜射弹道导弹的探测距离可达5550公里。
   
二、阵列天线分类
 
阵元排列结构
 
1. 线阵
2. 面阵
3. 圆形阵
4. 共面阵
性能分类
 
1. 一般阵列
2. 自适应阵
3. 相控阵
4. 信号处理阵列
相控阵
 
1. 无源相控阵雷达的天线不能产生雷达波，它的多个阵元共同使用一个发射机、接收机。

2. 有源相控阵雷达的每个天线阵元均采用独立的T/R模块，且每个组件都能发送和产生高频电磁能量。（在功率、效率、波束控制、测量精确度等方面有较大优势，并且重量轻于无源相控阵，但造价要明显高）
有源& 无源
 
有源阵列
 
每个阵元采用独立T/R模块  
无源阵列
 
多个阵元公用一个T/R  
三、馈电结构
 
馈电结构
 
通过馈电网络来激励阵元复电流，从而控制波束指向和形状。下面介绍两种馈电结构：传输线馈电，三维空间馈电，多波束阵列馈电。
 
传输线馈电  
这种传输线馈电是等线长的。  为阵列天线提供等相位信号分布。
 
空间三维馈电

 
初级馈源辐射出的电磁波经透镜控制阵列得到相位激励（空间透镜）  
空间透镜反射阵，两图波前的方向不同；透镜具有相移功能。
 
多波束阵列馈电  
“矩阵馈电”，移相器是非常关键的部件，对天线的相位变化起决定性作用，属于——相控阵天线，国内研制较多。  
“透镜馈电”的一个同时多波束天线，馈电原理，利用大量的准光学技术代替移相器。馈电网络在整个波束系统内通过微带实现。属于多波束天线。
 
四、阵列天线的基本参量
 
基本参量
 
1. 辐射图：天线辐射功率在空间中相对分布随方向变化的图。（主E面辐射图包含辐射场最大值和电场矢量E，主H面辐射图内包含最大辐射值和磁场矢量H。）
 
2. 方向性：表征天线辐射电磁场能量在空间分布情况的性能参量。（方向性函数是“单位立体角内的辐射功率”和“单位立体角内的平均辐射功率”比的函数。也可用场强方向图、极化方向图以及相位方向图来描述）
 
3. 增益：（单位立体角内的辐射功率与输入辐射功率比值的函数）
 
4. 带宽：阵列天线的带宽取决于阵元形式、阵元间距、馈电电流的幅度及相位等因素。
 
（绝对带宽用频率范围表示；相对带宽用相对于中心频率的百分比表示；）
窄带天线指（相对带宽小于10%），天线性能会随频率变化而变化，例如微带天线，喇叭天线等；
宽带天线指（相对带宽大于10%小于30%），天线频率改变不会对性能指标产生很大的影响，如对数周期，锥形天线等。
超宽带天线（相对带宽大于30%）
5. 波瓣宽度：天线方向图的主瓣宽度。
 
6. 旁瓣：主瓣之外的辐射波瓣成为旁瓣。高旁瓣会引入杂波，降低天线的接受性能。
 
7. 栅瓣：除主瓣以外的其他扫描范围内出现了（由于辐射场同相叠加形成的波瓣）。对于固定频率，阵列天线阵元间距过大，会导致栅瓣形成，占据天线辐射能量，影响天线增益和效率。
 
主瓣&旁瓣&栅瓣  
主瓣是天线的最大辐射方向；
高旁瓣会引入杂波，影响接受效率；
栅瓣会占据天线辐射能量，影响天线增益和效率。
等间距阵列天线&栅瓣  
其中
当n=0时，θ= θB阵列天线不会出现栅瓣；
当n≥1时，将在除θB方向外，出现栅瓣；
 
5、技术结合&应用
 
技术结合
 
随着，相控阵雷达处理频段提高到射频以后，它已经结合了许多技术。比如波束扫描、超低旁瓣、波束自适应置零等。
 
应用
 
除地面建筑物，它还可以应用在舰载、机载、星载等多个平台中，在推出和应用多功能有源相控阵雷达之后，也加强了国防、舰载、机载及星载预警系统等军用防卫能力，也在卫星通信、气象水文、地球勘探、生物医学等民用领域得到广泛使用，未来还会有更多的应用。