(九)MIT公开课雷达系统工程之雷达天线(上)
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在茫茫沙漠，唯有前时进的脚步才是期望的象征。
雷达天线会分两节内容介绍，本节介绍天线基本概念和机械扫描模式，下节介绍电扫和混合模式天线。
1 基本介绍
天线功能与雷达方程：天线是发射或接收无线电波的装置，辐射电磁波由电场和磁场组成，电场和磁场共同满足麦克斯韦方程；将微波辐射直接指向所需方向，抑制其他方向；设计用于最佳增益（方向性）和发射或接收过程中的最小能量损失。
雷达天线有多种尺寸和形状：
2 天线基础
2.1 基本概念
天线类型树：
电磁场的产生与计算方法：辐射机制：辐射是由电荷加速或时变电流产生的；加速度由外力引起瞬态（脉冲）；时间谐波源（振荡电荷）。电磁波是通过对天线/目标上的源电流进行积分(integrating source currents)来计算的：导体上的电流或孔隙上的磁电流（横向电场）。可以使用数值技术对源电流进行建模和计算：(e.g. Method of Moments, Finite Difference-Time Domain Methods)。
天线和雷达截面分析使用“相量表示”(Phasor Representation):通过傅立叶分析，任何时间变化都可以表示为谐波解的叠。
2.2 场区域
辐射区域：近场球面波，远场平面波。
场区域：
远场电磁波特性：在远场中，球面波可以近似为平面波；远场中没有径向场分量。
2.3 电磁场方程
自由空间传播 ：大多数电磁波是由局部源产生的，并以球面波的形式扩展到自由空间；在远场中，当与源的距离很大时，当它们撞击目标并将能量散射回雷达时，它们可以很好地被平面波近似。
电磁波的传输模式：Transverse electromagnetic (TEM) mode；Transverse electric (TE) mode；Transverse magnetic (TM) mode；Hybrid transmission modes。
指向矢量-功率密度：
辐射强度和辐射功率：
2.4 极化
天线极化：由沿辐射方向观察到的电场矢量在时间上传播时的行为定义；圆极化用于天气变化情况；水平极化用于远程空中搜索的水平搜索，以获得地面反射直接辐射。
极化：
圆极化：
2.5 方向性与增益
天线增益：天线在给定方向上的辐射强度高于各向同性源的辐射强度。
方向性和增益：
Example – Half Wavelength Dipole：
2.6 天线输入阻抗
天线输入阻抗1：
天线输入阻抗2：
3 反射天线-机械扫描
3.1 基本天线特性和几何结构
天线方向图特性：
抛物面反射器天线：反射器天线设计涉及最大化碟形照明，同时限制馈电及其支撑结构的溢出和阻塞之间的权衡；馈电天线的选择至关重要。
孔径大小对增益的影响：孔径变大，增益增加。
孔径大小对波束宽度的影响：Beamwidth decreases as aperture becomes electrically larger。
抛物面反射器天线：
不同类型的雷达波束：
Reflector Comparison Kwajalein Missile Range Example：
3. 2 溢出和堵塞(Spillover and Blockage)
Antenna Spillover:
Effect of Aperture Blocking in a Parabolic Reflector Antenna:
Examples of Antenna Blockage:
3.3 Aperture Illumination
线源天线辐射方向图:
线源分布对天线方向图影响：
线源的天线方向图对比：
Illumination of Two-Dimensional Apertures：
Uniformly Illuminated Circular Aperture：
Radiation Pattern Characteristics for Various Aperture Distributions：
Taper Efficiency, Spillover, Blockage, and Total Loss vs. Feed Pattern Edge Taper：Reflector Design is a Tradeoff of Aperture Illumination (Taper) Efficiency, Spillover and Feed Blockage。
3.4 不同的反射器馈电和反射器几何结构
反射天线馈电喇叭：
卡塞格伦反射天线：
卡塞格伦馈源的优点：较低的波导损耗，因为馈电不在抛物面的焦点处，而是在碟形天线附近。天线噪声温度低于抛物面焦点处的传统馈电。从天线馈电到接收器的波导长度更短。馈源溢出的旁瓣看到的是更冷的天空，而不是更温暖的地表(Sidelobe spillover from feed see colder sky rather than warmer earth)。单脉冲跟踪的最佳选择：复杂的单脉冲微波管道可以放置在反射器后面，以避免孔径阻塞的影响。
ALTAIR- Example of Cassegrain Feed：
余弦平方型天线：
具有余弦平方波束成形的天线方向图：
Patterns for Offset Feeds：
Example of Stacked Beam Antenna：
扫描馈电反射器天线：
扫描馈源反射器配置示例：
Radar Example – Organ Pipe Scanner：
4 总结讨论
5 参考文献
[1] 百度翻译
[2] MIT 公开课： Radar Systems Engineering