来源 | 雷达信号处理matlab

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相控阵雷达系统的基本组成

如下图所示，相控阵雷达系统的基本组成可分为：天线阵列、移相器及其波控计算机、发射机组件、接收机组件、激励器、信号与数据处理、显示器和中心计算机等主要功能块，再加上雷达与计算机之间、计算机与外围设备之间的接口，计算机输入输出控制台，计算机外围设备以及整机电源等部分。

大多数相控阵雷达的天线是收发共用的，也可以是收发分置的。在整个雷达天线阵列中，发射机组件可以仅用一部发射机（称“无源阵列”），通过馈线强制性地将发射功率分配给每一个天线单元；

也可以用多部发射机，将每一部发射机的输出信号功率馈给一个子阵上的所有天线单元，整个天线阵面辐射的信号功率为所有子阵上发射机的功率之和，即在空间实现发射信号功率的合成。与整个雷达采用单部发射机相比，这种方法除了增加了总的发射功率以外，还减少了发射馈线网络的传输损耗。

另外，还可以在每一个天线单元上安放一个功率放大器，并采用一个功率较小的发射机（称“有源阵列”），这样发射馈线损耗将会做得更小，且移相器等馈线元件可处于低功率工作状态，从而为雷达系统的设计带来较大方便。

在上图中，相位控制为天线阵列中的各个单元提供合适的相移，以形成指定方向的波束，并且通过快速改变这些相移来实现波束扫描。

地面相控阵（图源自网络）

在激励器中产生合适频段、一定调制的雷达工作波形，以便经变频或倍频处理后提升到发射的所需载频。然后在发射机组件内放大到一定的功率，通过收/发开关，经相位控制的天线阵列辐射到空间去。

由天线阵列接收的回波信号也经收/发开关进入接收机组件，与激励器提供的相干本振混频至合适的中频，再经信号处理后送到雷达中心计算机。

相控阵雷达的控制中心是计算机。它对相控阵雷达的工作方式进行管理，并控制发射波束和接收波束，实现对预定空域的搜索。从目标的截获到跟踪过程，都是在计算机控制下自动建立的。

对多个目标的边搜索边跟踪过程，只有在计算机控制下才能完成。中心计算机同时还对目标回波数据进行处理，以完成信号相关判决、目标位置外推、滤波、数据内插、航迹相关和航迹测量等计算。

车载相控阵（图源自网络）

当目标丢失时，还要控制和实现对目标的重新照射、数据补点，并满足雷达采样率的要求等。根据目标位置和特征判定其威胁程度，并按威胁程度大小改变对目标的跟踪状态。根据被跟踪的目标数目和不同的跟踪状态，中心计算机可灵活地调整供搜索与跟踪用的信号能量分配程度。

相控阵雷达的分类

相控阵雷达的组成方案很多，目前典型的相控阵雷达用移相器控制波束的发射和接收，主要有两种组成形式：无源相控阵列和有源相控阵列。相应的雷达分别为无源相控阵雷达和有源相控阵雷达。

无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经计算机自动分配给天线阵的各个辐射器，目标反射信号经接收机统一放大，如下图所示。

有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波，如下图所示。无源相控阵雷达和下图除了虚线部分发射与天线功能不一样之外,其它是相同的。

下图是有源相控阵雷达的发射接收（T/R）组成框图。在频宽、信号处理和冗余度设计等方面，有源相控阵雷达都比无源相控阵雷达具有较大的优势。正因为如此，也使得有源相控阵雷达的造价昂贵，工程化难度大。但有源相控阵雷达在功能上有其独特优点，已逐步取代了无源相控阵雷达。

有源相控阵雷达最大的难点在于发射/接收组件的制造上，相对来说，无源相控阵雷达的技术难度要小得多。无源相控阵雷达在功率、效率、波束控制及可靠性等方面不如有源相控阵雷达，但是在功能上却明显优于普通机械扫描雷达，不失为一种较好的折衷方案。无源相控阵雷达作为相控阵雷达家族的一种低端产品，仍具有较大的实用价值。

移相器的基本原理及主要要求

移相器是相控阵雷达中的关键器件，依靠移相器来实现对阵列中各天线单元的“馈相”，提供为实现波束扫描或改变波束形状要求的天线口径上照射函数的相位分布。

实现移相的方法有多种，移相器类型的选择取决于多种因素，其主要的影响因素有：

①雷达工作波段的不同；

②相控阵天线类型的差异，即无源还是有源，是窄带还是宽带，是一维还是二维等。

机载相控阵（图源自网络）

波长为  的电磁波以速度  经过一段长度为  的传输线以后的相移为

式中，  为频率；  为导磁率；  为介电常数。电磁波传播速度  通常取为光速  ，但是对于移相器，它们可能是不同的，例如同轴电缆中传播速度为  。

根据上式，改变相移的方法有以下 4 种：

• 频率（  ）扫描。频率扫描是一个用于电子扫描波束相对简单的方法，曾经用于许多相控阵雷达，但是由于它限制了带宽的使用，并且仅仅对于在一个角度坐标中电控波束，因此已不再流行。

• 变线长  。用电子开关接入或去掉传输线的各种长度，实现相移的变化。

• 变导磁率  。当磁场改变时，铁氧体材料的导磁率发生变化，实现相移的变化法已经流行于频率较高的微波频段。

• 变介电常数  。铁电材料的介电常数随加上的电压而变化。放电电流的变化也导致电子密度的变化，从而产生介电常数的变化。

相控阵雷达对移相器的主要要求如下：

• 能够快速地改变相位（时间在微秒量级）

• 能够承受高峰值功率和高平均功率

• 要求控制信号以小的驱动功率运行

• 低损耗（对无源移相器，应小于 1dB）

• 对温度变化不敏感，在雷达的整个工作温度范围内变化不大

• 重量轻（特别是对机载或机动雷达）

• 成本低

星载相控阵（图源自网络）

移相器的种类较多，移相器从移相方式上可分为机电式移相器和电子式移相器。

机电式移相器包括变长度线，变波导长和变极化器件等，这种移相器移相速度较慢；另一类电子式移相器，有铁氧体、半导体变容二极管、PIN 开关管移相器以及行波移相和等离子体移相器件，其中二极管移相器和铁氧体移相器应用较为广泛。

使用二极管方法的数字移相器可使用级联的线路，切换的长度为  、  、  。  位的移相器具有  个线路长度，以  的离散步进量调控相位变化。

下图是一个 4 位级联的数字开关的移相器，它被切换成进或出线长等于  、  、  和  以得到量化大小为  的步进量。其对应相位增量为  。

在这种 4 位的器件中，可以实现  的相位时延。  以上的相位时延通过去掉  的倍数后来调节，而相位超前是通过减去  的倍数将其变为等效时延来调节。移相器的每一位由提供不同相移的两段线长和由 4 个二极管（如图中的 S1、S2、S3、S4）做成的两个单刀双掷开关组成。图中当上面两个开关是开时，下面两个是关的，反之亦然。

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