天线基础知识：天线的功能及特性

天线用来发射或接收电磁波，是雷达系统中最关键的部件之一。它具有以下基本功能：

• 将发射端能量以所需的分布和效率转换成空间信号。这一过程以同样的方式应用于接收端。
• 信号在空间中具有一定的模式。一般来说，方位角需足够窄，以提供所需的方位角分辨率和目标位置更新所需的频率。当天线扫描方式为机械扫描时，这就等效为转速。考虑到雷达天线在一定频率波段需要有尺寸巨大和重量可达数吨的反射器，高转速可能带来一个重要的机械问题。
• 高精度的测向。

天线结构必须保证天线在任何环境条件下保持工作。通常在相对恶劣的环境条件下使用天线罩来保护天线。
雷达的基本性能与天线面积或孔径和平均发射功率的乘积成正比。因此，在天线上的投入可以为系统性能方面带来显著的效果。
考虑到这些功能和雷达天线所需的效率，通常采用两种方式：

• 抛物面碟形天线
• 阵列天线

当天线单独用作发射或接收用途时，天线增益是一个重要的特性。

图1 各向同性辐射体的球形辐射
有些天线的辐射源向各个方向均匀地辐射能量，这种辐射称为各向同性辐射。我们都知道太阳向四面八方辐射能量。从太阳辐射出来的能量在任何固定的距离和任何角度测量都是近似相同的。
假设一个测量装置绕着太阳移动，并停在图中所示的点上，以测量辐射量。在圆的任何一点上，从测量装置到太阳的距离是相同的。测得的辐射也将是相同的。因此，太阳被认为是一个各向同性的辐射体。

图2 偶极子天线的辐射图
大多数辐射器朝一个方向的辐射比朝另一个方向辐射强。像这样的辐射体称为各向异性辐射体。然而，采用一种标准方法标记辐射源周围的辐射，这样就可以很容易地将一种辐射方向图与另一种进行比较。
从天线辐射出来的能量形成一个具有一定辐射图样的场。辐射图是一种绘制天线辐射能量的方法。这种能量是在与天线保持恒定距离的不同角度测量的。这种图案的形状取决于所使用的天线类型。
要绘制这种方向图，通常使用直角坐标和极坐标两种不同类型的图。极坐标图已被证明在研究辐射图中有很大的用途。在极坐标图中，点是通过沿旋转轴(半径)投影到与几个同心等间距圆中的一个交点上而定位的。实测辐射的极坐标图如图3所示。

图3 极坐标系下的方向图

• 主瓣，围绕最大辐射方向的区域(通常是主波峰值3dB以内的区域)。图3的主波方向是向北的。
• 旁瓣，远离主瓣的较小的瓣。这些旁瓣通常是辐射在不希望的方向，永远不能完全消除。旁瓣电平是表征辐射模式的一个重要参数
• 后瓣，这是与主波束方向相反的辐射的一部分。

图4 直角坐下天线方向图
图4中的图显示了在直角坐标图中，点是通过从一对静止的垂直坐标轴上反射来定位的。直角坐标图上的横轴对应于极坐标图上的圆。直角坐标图上的纵轴对应于极坐标图上的旋转轴(半径)。图中的测量尺度可以有线性长度，也可以有对数长度。
从绘制的天线方向图中，可以得到天线的一些重要特性：

• 前后比，方向性天线前后功率增益的比值(图4中180度旁瓣的值:34分贝)
• 旁瓣比，远离主瓣的旁瓣的最大值。(在图4中，副瓣的值，大约+6度:20分贝)

为了方便分析天线模式，使用了以下术语：
天线图案的角度范围，其中以至少一半的最大功率发射被描述为一个“波束”。因此，这个主瓣的边界点是场强在范围内最大场强下降到3dB左右的点。然后，这个点被描述为波束宽度或孔径角或半功率(-3dB)角——用符号θ(或者φ)表示。波束宽度θ正是图5中两个黑色标记的功率级之间的夹角。角度θ可以在方位面用θAZ表示，也可以在俯仰面用θEL表示。

各向同性辐射体将球体表面的所有能量分散。在给定的距离内，功率有一个确定的密度。指向性天线将能量集中在较小的区域，功率密度比全向同性辐射体高。功率密度也可以表示为单位面积的功率。所接收的功率可与相关表面进行比较。这个区域叫做有效孔径。
天线的有效孔径是指所接收或辐射信号的表面积。它是决定天线性能的一个关键参数。天线增益与有效面积的关系如下:

孔径效率取决于波穿过孔径的分布。如果分布是线性的，那么Ka=1。这种高效率会被相对较高的旁瓣抵消。因此，天线实际是具有旁瓣的，天线孔径效率小于1(Ae< A)。
上图显示的模式中辐射集中在几个波瓣。一个瓣的辐射强度比另一个瓣的强得多。最强的瓣叫做主瓣；其他的是旁瓣。由于与阵列相关的复杂辐射模式常常包含几个不同强度的波瓣，因此应该使用适当的术语。一般来说，主瓣是那些产生最多辐射的瓣。旁瓣是辐射强度最小的瓣。
前后比是定向天线前后功率增益的比值。有时不会出现与主瓣完全相反的波瓣。在本例中，前后比为主瓣反方向上±10 ~±30度范围内最大的旁瓣。高前后比是可取的，因为这意味着在不需要的方向上辐射的能量最少。
天线的辐射场由电场和磁场组成。这些场总是成直角。电场决定了波的偏振方向。当一个线天线从经过的无线电波中提取能量时，当天线方向与电场方向相同时，会产生最大的电场。
电场的振荡可以是单向的(线性极化)，或者电场的振荡方向可以随波的传播而旋转(圆极化或椭圆极化)。

图6 偶极子的电场（蓝色）和磁场（红色）
线极化
垂直和水平安装的接收天线分别接收垂直和水平极化波。由于天线无法接收极化不同的信号，因此，极化的变化会导致接收到的信号电平发生变化。主要采用两种极化面：

• 在垂直极化波中，电场方向是垂直的。
• 在水平极化波中，电场方向是水平的。

线性极化可以接收所有平面的信号，但除了两个极化正交的情况。当用一个单线天线来接收无线电波时,当电场方向一致时接收天线接收到的能量最大，因此垂直的天线用于高效接收垂直极化波,水平的天线用于接收水平极化波。
圆极化
圆极化是指每一次射频能量循环时，电场都会360度旋转。圆极化是由两个90°移相接收器和两个同时移动90°的平面极化天线引起的。由于波的强度通常用电场强度(伏特、毫伏或每米微伏)来测量，所以选择电场作为参考场。
在某些情况下，电场的方向不保持恒定。因此，波在空间中传播时，磁场也随之旋转。在这些条件下，场的水平分量和垂直分量都存在，波具有椭圆极化性。

图7 圆极化波
圆极化包含右旋圆极化和左旋圆极化。圆极化波由与透射波相反的球形雨滴反射。在接收时，天线会排斥与圆极化方向相反的波，从而最大限度地减少对雨滴的探测。
由于飞机目标与雨不同，它不是球形的，所以目标的反射在原始极化意义上具有重要的分量。因此，相对于雨滴目标，目标信号的强度会增强。
为了最大限度地吸收来自电磁场的能量，接收天线必须位于同一极化面。如果使用极化方向不同的天线，会产生相当大的损耗，实际损耗在20至30分贝之间。
在强空气杂波出现时，空中交通管制员倾向于打开圆极化天线。在这种情况下，空气杂波对目标的隐藏效果会降低。