简说空馈相控阵

相控阵雷达因其使用相控阵天线而得名。相控阵天线可以根据馈电方式分为两类,一个是强制馈电相控阵天线,另一个是空间馈电相控阵天线。馈电,可以理解为给天线输入信号的意思。天线要工作,必然会有信号的输入和输出,那就必须要进行馈电了。

强制馈电的相控阵天线:这是最典型的一种形式,信号通过功分器、或者是TR组件,直接连接到阵列天线中的每一个单元上面。常见的相控阵雷达,比如SPY1、APG77等雷达的天线就是采用的这种形式。这样的相控阵天线外观只看得见一个平面阵面,传输信号的微波线缆都在阵列后方。见下图


SPY1雷达的天线阵面
SPY1雷达的天线阵面

那么空馈相控阵是怎么回事呢。

上个实际60,70年代,由于受限于微波器件技术。到了S波段以上,移相器和TR组件的研制生产难度和成本都较高。如果使用强制馈电形式会有些无法解决的问题,因而在妥协性能和成本后,一些相控阵雷达选择了空馈相控阵天线。

空馈相控阵天线可分为反射式透射式

这个可以类比反射面天线(抛物面)和透镜天线。他们都需要一个喇叭天线,这个喇叭天线就称为馈源喇叭或者叫馈源天线。这个馈源喇叭会发射一个入射波,对阵面进行照射,然后阵面搜集到能量后,会发射出一个平面波在无穷远处聚焦,即形成了一个高增益的出射波束。简单来判断,这个出射波束方向如果和入射波束相同,那这就是透镜天线;反之,如果出射波束和入射波束反向,那这就是反射面天线。

那么空馈相控阵天线同样如此,不过主要在阵面上会有区别。反射面天线和透镜天线往往天线本身是有很大曲率的,即成抛物面状或者其他形状。空馈相控阵天线,主阵面依然是平面,但是阵面会包含移相器,依靠移相器而非天线外形来形成所需要的高增益出射波。S300的64N6大鸟雷达、爱国者的MPQ53雷达使用的均为空馈式相控阵天线。

和空馈的普通天线类似,有的空馈相控阵天线馈电系统蛮复杂,可能有多个透镜,或者先反射后透射等等,这里就不过多赘述。

64N6的天线工作简介
64N6的天线工作简介

感谢@应用技术联合体的图片说明


64N6E雷达工作原理简介
64N6E雷达工作原理简介

总而言之,空馈式相控阵天线成本更低,设计也较为简单。如果是无源相控阵系统,巧妙设计的空馈天线甚至能节约一部分微波传输线的损耗。但是空馈形式馈电不可避免的会有部分漏掉没有被阵面截获到,阵面上的能量分布也不均匀,这都会导致天线最终增益的下降。因此同口径面积下的空馈天线增益会比强馈天线低一些。并且单个喇叭的承受功率也有限,因而这种空馈形式的相控阵天线发射功率难以继续提高。因而在追求高性能的相控阵系统上,难以看见这类空馈天线身影。



空馈天线也有独到之处

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