雷达天线技术

天线作为空间能量转换器和空域信号处理器，是雷达必不可少的最重要分系统之一。本书着重介绍了雷达天线系统的作用、特点、功能和性能指标，以及常用类型雷达天线的基本原理、设计和应用，如相控阵天线、波导裂缝天线，还给出了雷达天线测试技术、雷达天线低RCS设计、天线罩的有关内容。本书讲述的基本概念清晰、设计目的明确，并用实例说明作者团队实际的设计经验和体会，是一本有实战价值的工具书，对于从事雷达装备使用与维护的专业人员也是系统学习雷达天线技术知识的参考书。

第1 章 概论 ............................................................................................................. 001
1.1 雷达天线及其发展 .................................................................................... 002
1.2 天线在雷达中的作用 ................................................................................ 006
1.3 天线的基本理论 ........................................................................................ 008
1.3.1 矢量位和波动方程 ......................................................................... 008
1.3.2 理想电偶极子 ................................................................................. 010
1.3.3 直线电流源辐射场 ......................................................................... 013
1.3.4 任意电流分布的辐射场 ................................................................. 015
1.3.5 远场条件 ......................................................................................... 016
1.3.6 辐射方向图 ..................................................................................... 018
1.3.7 方向性系数与增益 ......................................................................... 020
1.3.8 输入阻抗、驻波及损耗 ................................................................. 022
1.3.9 极化 ................................................................................................. 023
1.3.10 天线RCS ...................................................................................... 024
1.4 天线常用定理和原理 ................................................................................ 026
1.4.1 互易定理 ......................................................................................... 026
1.4.2 对偶原理 ......................................................................................... 028
1.4.3 镜像原理 ......................................................................................... 031
1.4.4 等效源定理 ..................................................................................... 033
参考文献 ............................................................................................................. 034
第2 章 辐射单元 .................................................................................................... 036
2.1 半波振子天线 ............................................................................................ 037
2.1.1 原理分析 ......................................................................................... 037
2.1.2 天线性能 ......................................................................................... 038
2.1.3 天线结构及馈电设计 ..................................................................... 040
2.1.4 常见半波振子天线形式 ................................................................. 044
2.2 波导口天线 ................................................................................................ 047
2.2.1 原理分析 ......................................................................................... 047
2.2.2 天线性能 ......................................................................................... 052
2.2.3 天线结构及馈电设计 ..................................................................... 053
2.2.4 常见波导口天线形式 ..................................................................... 054
2.3 微带贴片天线 ............................................................................................ 054
2.3.1 原理分析 ......................................................................................... 055
2.3.2 天线性能 ......................................................................................... 056
2.3.3 天线结构及馈电设计 ..................................................................... 059
2.3.4 常见微带贴片天线形式 ................................................................. 061
2.4 渐变槽线天线 ............................................................................................ 062
2.4.1 原理分析 ......................................................................................... 062
2.4.2 天线性能 ......................................................................................... 064
2.4.3 天线结构及馈电设计 ..................................................................... 066
2.4.4 常见渐变槽线天线形式 ................................................................. 069
参考文献 ............................................................................................................. 071
第3 章 阵列天线 .................................................................................................... 075
3.1 基本理论 .................................................................................................... 076
3.2 一维阵列 .................................................................................................... 078
3.2.1 阵因子 ............................................................................................. 079
3.2.2 单元因子 ......................................................................................... 081
3.2.3 单元间距 ......................................................................................... 082
3.2.4 口径分布 ......................................................................................... 082
3.2.5 方向性 ............................................................................................. 091
3.3 二维阵列 .................................................................................................... 092
3.3.1 阵列分析 ......................................................................................... 092
3.3.2 口径分布 ......................................................................................... 093
3.3.3 方向图综合 ..................................................................................... 099
3.4 非平面阵列天线 ........................................................................................ 103
3.4.1 一般非平面阵列分析方法 ............................................................. 104
3.4.2 圆和圆柱阵列 ................................................................................. 105
3.4.3 球形和半球形阵列 ......................................................................... 112
3.4.4 圆锥阵列 ......................................................................................... 113
3.5 稀疏阵列 .................................................................................................... 114
3.5.1 密度加权阵列特点 ......................................................................... 114
3.5.2 独立采样概率密度稀疏法 ............................................................. 115
3.5.3 相关采样概率密度稀疏法 ............................................................. 118
3.5.4 大型稀疏阵列方向图优化 ............................................................. 120
3.6 阵中单元有源阻抗匹配 ............................................................................ 124
3.6.1 单元间互耦 ..................................................................................... 124
3.6.2 有源阻抗 ......................................................................................... 125
3.6.3 有源反射系数与阵中单元波瓣 ..................................................... 133
3.6.4 周期结构理论 ................................................................................. 135
3.6.5 互耦补偿 ......................................................................................... 137
3.6.6 阵列辐射单元设计与试验 ............................................................. 137
参考文献 ............................................................................................................. 143
第4 章 相控阵天线 ................................................................................................ 148
4.1 基本原理 .................................................................................................... 149
4.1.1 原理及特点 ..................................................................................... 149
4.1.2 天线类型 ......................................................................................... 160
4.1.3 发展趋势 ......................................................................................... 162
4.2 波束扫描与赋形 ........................................................................................ 164
4.2.1 相位量化效应 ................................................................................. 164
4.2.2 虚位技术 ......................................................................................... 166
4.2.3 仅相位加权零控技术 ..................................................................... 167
4.2.4 相位加权波束展宽技术 ................................................................. 169
4.2.5 相位加权方向图赋形技术 ............................................................. 171
4.2.6 方向图快速计算技术 ..................................................................... 173
4.2.7 多阶振幅量化 ................................................................................. 176
4.2.8 非周期阵列栅瓣抑制技术 ............................................................. 179
4.3 工程设计 .................................................................................................... 181
4.3.1 阵列体制选择 ................................................................................. 181
4.3.2 辐射单元选择 ................................................................................. 183
4.3.3 扫描空域分析 ................................................................................. 184
4.3.4 宽带宽角天线阵列阻抗匹配 ......................................................... 187
4.3.5 天线阵列瞬时带宽 ......................................................................... 200
4.3.6 相控阵天线校准 ............................................................................. 202
4.3.7 误差与失效分析 ............................................................................. 205
4.4 有源相控阵天线 ........................................................................................ 207
4.4.1 发展概况 ......................................................................................... 207
4.4.2 有源相控阵天线技术特点 ............................................................. 208
4.4.3 主要子系统设计 ............................................................................. 209
4.5 数字阵列天线 ............................................................................................ 211
4.5.1 应用与发展 ..................................................................................... 211
4.5.2 工作原理 ......................................................................................... 213
4.5.3 数字波束形成 ................................................................................. 214
4.5.4 数字阵列天线信号处理 ................................................................. 215
参考文献 ............................................................................................................. 218
第5 章 阵列天线低RCS 设计 ............................................................................. 226
5.1 现代天线隐身技术发展 ............................................................................ 227
5.2 阵列天线散射理论 .................................................................................... 228
5.2.1 概述 ................................................................................................. 228
5.2.2 散射机理 ......................................................................................... 229
5.2.3 阵列天线散射特点 ......................................................................... 230
5.3 阵列天线散射设计 .................................................................................... 231
5.3.1 概述 ................................................................................................. 231
5.3.2 阵列天线模式项 ............................................................................. 233
5.3.3 阵列天线散射设计 ......................................................................... 234
5.3.4 阵列天线散射缩减技术 ................................................................. 238
5.4 阵列天线低散射技术的发展趋势 ............................................................ 242
参考文献 ............................................................................................................. 244
第6 章 波导缝隙阵列天线 .................................................................................... 246
6.1 引言 ............................................................................................................ 247
6.2 缝隙阵列天线基本概念 ............................................................................ 247
6.2.1 驻波阵列 ......................................................................................... 248
6.2.2 行波阵列 ......................................................................................... 250
6.3 平板缝隙阵列天线设计 ............................................................................ 251
6.3.1 平板缝隙天线的结构 ..................................................................... 251
6.3.2 波导口径尺寸和缝隙间距的选择 ................................................. 252
目 录｜
XIII
6.3.3 口径分布及子阵划分 ..................................................................... 252
6.3.4 缝隙特性参数 ................................................................................. 254
6.3.5 阵面缝隙设计 ................................................................................. 256
6.3.6 二阶效应考虑 ................................................................................. 259
6.4 波导窄边缝隙阵列天线设计 .................................................................... 260
6.4.1 基本理论 ......................................................................................... 260
6.4.2 阵列的设计 ..................................................................................... 265
6.5 新型波导缝隙阵 ........................................................................................ 276
6.5.1 双极化波导缝隙阵列天线 ............................................................. 276
6.5.2 基片集成波导（SIW）缝隙阵列天线 .......................................... 281
6.5.3 宽带并馈波导缝隙阵列天线 ......................................................... 284
6.5.4 波导缝隙相控阵天线 ..................................................................... 287
6.6 波导缝隙阵列天线的电磁仿真技术 ........................................................ 288
6.6.1 缝隙特性参数仿真 ......................................................................... 288
6.6.2 阵列天线的仿真分析 ..................................................................... 292
参考文献 ............................................................................................................. 298
第7 章 反射面天线 ................................................................................................ 301
7.1 概述 ............................................................................................................ 302
7.2 基本分析方法 ............................................................................................ 303
7.2.1 几何光学法 ..................................................................................... 303
7.2.2 几何绕射理论（GTD 法） ............................................................ 310
7.2.3 其他分析方法简述 ......................................................................... 314
7.2.4 反射面天线综合 ............................................................................. 317
7.3 口径辐射 .................................................................................................... 321
7.3.1 口径分布和辐射场的关系 ............................................................. 321
7.3.2 线源和矩形口径的辐射 ................................................................. 323
7.3.3 圆形口径的辐射 ............................................................................. 325
7.3.4 口径相位分布的影响 ..................................................................... 326
7.4 反射面天线特性分析和设计 .................................................................... 329
7.4.1 天线方向图及其有关参数 ............................................................. 329
7.4.2 偏焦和扫描特性 ............................................................................. 332
7.4.3 公差影响分析 ................................................................................. 338
7.4.4 极化特性 ......................................................................................... 340
7.4.5 阻挡和后瓣 ..................................................................................... 341
7.4.6 其他因素或特性分析 ..................................................................... 343
7.4.7 两个层次的反射面天线设计 ......................................................... 344
7.4.8 反射面天线的设计思路和设计过程 ............................................. 345
7.5 简单抛物面天线 ........................................................................................ 346
7.5.1 抛物柱面天线 ................................................................................. 346
7.5.2 圆口径抛物面天线 ......................................................................... 348
7.5.3 椭圆口径抛物面天线 ..................................................................... 350
7.5.4 典型馈源介绍 ................................................................................. 350
7.6 卡塞格伦天线 ............................................................................................ 351
7.6.1 特点和应用 ..................................................................................... 351
7.6.2 卡塞格伦天线基本设计 ................................................................. 352
7.6.3 单脉冲卡塞格伦天线 ..................................................................... 354
7.6.4 整形双反射面天线 ......................................................................... 360
7.6.5 典型馈源介绍 ................................................................................. 362
7.7 双弯曲反射面天线 .................................................................................... 364
7.7.1 概念和应用 ..................................................................................... 364
7.7.2 反射面生成 ..................................................................................... 364
7.7.3 远场方向图计算 ............................................................................. 366
7.7.4 典型馈源介绍 ................................................................................. 370
7.8 其他反射面天线 ........................................................................................ 373
7.8.1 球形反射面天线 ............................................................................. 373
7.8.2 抛物桶反射面天线 ......................................................................... 375
7.8.3 阵列馈电反射面天线 ..................................................................... 376
7.8.4 波束波导馈电反射面天线 ............................................................. 377
7.8.5 堆积多波束抛物面天线 ................................................................. 379
参考文献 ............................................................................................................. 380
第8 章 天线测试技术 ............................................................................................ 382
8.1 概述 ............................................................................................................ 383
8.1.1 历史回顾 ......................................................................................... 383
8.1.2 天线测试的概念和分类 ................................................................. 383
8.1.3 雷达天线测试的要求 ..................................................................... 384
8.2 远场测试技术 ............................................................................................ 385
目 录｜
XV
8.2.1 远场测试的一般考虑 ..................................................................... 385
8.2.2 反射场法 ......................................................................................... 389
8.2.3 斜距场法 ......................................................................................... 393
8.2.4 高架场法 ......................................................................................... 398
8.2.5 远场增益测试 ................................................................................. 399
8.2.6 测试方法的比较和选择 ................................................................. 400
8.2.7 自动化远场测试系统 ..................................................................... 401
8.3 紧缩场测试技术 ........................................................................................ 405
8.3.1 对静区的要求 ................................................................................. 405
8.3.2 均匀平面波的形成 ......................................................................... 406
8.3.3 紧缩场暗室 ..................................................................................... 408
8.3.4 紧缩场测试和应用 ......................................................................... 409
8.4 近场扫描测试技术 .................................................................................... 411
8.4.1 平面近场扫描测试技术 ................................................................. 412
8.4.2 近场暗室设计 ................................................................................. 423
8.4.3 近场诊断技术 ................................................................................. 426
8.4.4 柱面近场扫描测试技术简介 ......................................................... 427
8.4.5 球面近场扫描测试技术简介 ......................................................... 428
8.5 超低副瓣天线测试问题 ............................................................................ 430
8.6 新型测试技术 ............................................................................................ 432
8.6.1 天线中场测试技术 ......................................................................... 432
8.6.2 无人机天线远场测试技术 ............................................................. 433
8.6.3 数学吸波反射抑制技术 ................................................................. 435
参考文献 ............................................................................................................. 436
第9 章 天线罩 ........................................................................................................ 437
9.1 引言 ............................................................................................................ 438
9.1.1 历史与背景 ..................................................................................... 439
9.1.2 功能简述 ......................................................................................... 440
9.1.3 分类和选用原则 ............................................................................. 440
9.2 技术参数 .................................................................................................... 442
9.3 天线罩的基本要求 .................................................................................... 442
9.3.1 环境要求 ......................................................................................... 443
9.3.2 设计指标 ......................................................................................... 444
雷达天线技术
XVI
9.4 电性能设计技术 ........................................................................................ 448
9.4.1 多层介质平板设计技术 ................................................................. 449
9.4.2 壳体罩――天线的综合性能分析技术 ......................................... 459
9.4.3 空间骨架天线罩设计 ..................................................................... 465
9.5 天线罩发展趋势 ........................................................................................ 476
9.5.1 超材料电磁隐身天线罩技术 ......................................................... 477
9.5.2 耐高功率天线罩技术 ..................................................................... 481
9.5.3 吸透一体天线罩技术 ..................................................................... 484
参考文献 ............................................................................................................. 486
第10 章 雷达天线技术的发展趋势 ...................................................................... 488
10.1 引言 .......................................................................................................... 489
10.2 多功能相控阵雷达天线技术 .................................................................. 490
10.2.1 相控阵天线特性要求 ................................................................... 490
10.2.2 多功能相控阵天线的发展方向及部分实例 ............................... 491
10.3 星载雷达天线 .......................................................................................... 493
10.3.1 发展概述 ....................................................................................... 494
10.3.2 未来发展趋势 ............................................................................... 498
10.4 微波光子阵列天线 .................................................................................. 499
10.4.1 微波光子技术简介 ....................................................................... 499
10.4.2 超宽带微波光子阵列 ................................................................... 502
10.4.3 光域波束形成研究 ....................................................................... 504
10.5 机会阵雷达天线 ...................................................................................... 507
10.5.1 机会阵雷达简介 ........................................................................... 507
10.5.2 机会阵雷达天线阵列 ................................................................... 508
10.5.3 机会阵方向图综合 ....................................................................... 509
10.6 毫米波相控阵天线 .................................................................................. 511
10.6.1 毫米波相控阵天线发展现状 ....................................................... 512
10.6.2 毫米波相控阵天线设计技术 ....................................................... 512
10.6.3 毫米波相控阵天线技术发展趋势 ............................................... 516
10.7 新材料、新工艺对天线发展的影响 ...................................................... 517
10.7.1 新型电磁超材料在天线中的应用 ............................................... 517
10.7.2 新型制造工艺在雷达天线中的应用 ........................................... 519
参考文献 ............................................................................................................. 521