球面相控陣天線 衛(wèi)星天線高清版
相對(duì)于相控陣透鏡天線的兩大優(yōu)勢(shì)是：一是透鏡天線的旁瓣和后瓣小，其方向圖比較好；二是透鏡天線對(duì)制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡單方便。
透鏡天線，一種能夠通過電磁波，將點(diǎn)源或線源的球面波或柱面波轉(zhuǎn)換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。通過合適設(shè)計(jì)透鏡表面形狀和折射率 n，調(diào)節(jié)電磁波的相速以獲得輻射口徑上的平面波前。
透鏡天線吸收了許多光信息工程技術(shù)，從而在通信和軍事領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，也引起了更多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。按照幾何光學(xué)理論，處于透鏡焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源輻射出的球面波經(jīng)過透鏡折射會(huì)聚，最終形成了平面波。
這就是透鏡天線設(shè)計(jì)的總的思想的。透鏡天線是由透鏡和電磁輻射器構(gòu)成。電磁波具有波粒二象性，在其傳輸?shù)倪^程中，經(jīng)過不平行的不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象。在輻射器前安裝透鏡，可使輻射能量集中，波束壓窄。
透鏡天線有介質(zhì)減速透鏡天線和金屬加速透鏡天線兩種。
介質(zhì)減速透鏡天線，用低損耗高頻介質(zhì)制成，中間厚，四周薄。從輻射源發(fā)出的球面波經(jīng)過介質(zhì)透鏡時(shí)受到減速。
金屬加速透鏡天線，金屬加速透鏡天線由許多塊長度不同的金屬板平行放置而成。金屬板垂直于地面，愈靠近中間的金屬板愈短。電波在平行金屬板中傳播時(shí)受到加速。
原理
雷達(dá)是一種發(fā)射電磁波，藉由解算回波之種種數(shù)據(jù)來達(dá)到探測(cè)目的的一種裝置。隨著年代的演進(jìn)而增加新的功能，但都不脫離兩個(gè)基本步驟：發(fā)射雷達(dá)波以及解算回波。
電磁波的發(fā)射，是利用正負(fù)電荷之往返震湯而發(fā)出的，在雷達(dá)上是在天線上產(chǎn)生正負(fù)電荷并使之震湯。發(fā)出電磁波之強(qiáng)度分布，為一＂橫躺＂在x軸上的＂8＂字繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)後所產(chǎn)生的立體形狀，類似紅血球一般，天線指向y軸而以橫躺的8字中心為中心。設(shè)由原點(diǎn)向任一方向畫直線與此＂紅血球形＂交於p點(diǎn)，則原點(diǎn)到p點(diǎn)的長度代表該方向電磁波強(qiáng)度。也就是說在垂直於y軸之平面上電磁波最強(qiáng)，隨著與此平面之夾角增加電磁波隨之減弱，在天線方向上則沒有電磁波。以上所提對(duì)相控陣?yán)走_(dá)原理之理解并不是那么重要，不過將有助於我們觀察雷達(dá)天線的陣列情形。
當(dāng)然，單一天線發(fā)射的雷達(dá)波依然是以球面擴(kuò)散的，強(qiáng)度與距離平方成反比，所以當(dāng)然不可能只用一個(gè)天線就能做成雷達(dá)啦，一定要有其他方法的，除了增強(qiáng)功率外，就是讓雷達(dá)波盡量平行發(fā)射啦。為了達(dá)到此目的，目前主要有拋物面雷達(dá)以及平面陣列雷達(dá)，兩者都是機(jī)械掃描雷達(dá)，但後者之原理與相控陣?yán)走_(dá)有些相近。
拋物面雷達(dá)在拋物面焦點(diǎn)處安裝發(fā)射天線，經(jīng)拋物面反射成近乎平行波束，目前直升機(jī)雷達(dá)以及陸基防空雷達(dá)、機(jī)場雷達(dá)等多使用這種雷達(dá)。這種雷達(dá)現(xiàn)在漸漸被取代，因?yàn)閽佄锩嫦喈?dāng)難做，一般都是用球面或橢球面來近似，不論如何進(jìn)似，終究不是真正拋物面，因此就容易出現(xiàn)誤差。此外，這種雷達(dá)只由一個(gè)天線作收發(fā)工作，因而對(duì)單一天線性能要求就相當(dāng)高，而天線故障整個(gè)雷達(dá)也就掛了。
這種雷達(dá)不是沒有好處的，他能接收單一天線感測(cè)不到的強(qiáng)度的回波：天線有其能感測(cè)的最低電磁波強(qiáng)度(單位面積的功率)，若強(qiáng)度小於這個(gè)值，就無法感測(cè)或被當(dāng)雜波濾除。拋物面天線可將回波反射回位於焦點(diǎn)的天線，故此時(shí)天線接收到的強(qiáng)度就是拋物面接收到之雷達(dá)波強(qiáng)度之加成。
平面陣列雷達(dá)則是在一個(gè)平面上布上許多天線，藉由波的干涉原理來制造近平行波束，基本發(fā)射原理與相控陣?yán)走_(dá)相近故留待稍後解釋之。西方標(biāo)準(zhǔn)的第三代戰(zhàn)機(jī)以及俄國第四代戰(zhàn)機(jī)(除了MiG-31)多用這種雷達(dá)，自行研發(fā)的殲雷十也是平面陣列雷達(dá)。
此類雷達(dá)還仰賴＂合成孔徑＂技術(shù)，雷達(dá)的性能除了探測(cè)距離、資料更新率等等外，還有個(gè)很重要的，解析度。解析度不高的雷達(dá)無法精確知道敵人的位置，只能知道敵人來襲卻無法反制，因此要提高解析度，雷達(dá)的解析度與波束發(fā)散角(最外側(cè)行進(jìn)方向與中央線的夾角)有關(guān)，發(fā)散角越小解析度越高，而要降低發(fā)散角，就要加大天線。再某些時(shí)候這是不好做的，因而有人想到能否利用相間的小天線(天線陣列)來達(dá)成相同效果，實(shí)驗(yàn)證明是可行的，藉由對(duì)陣列上每個(gè)天線接收到的數(shù)據(jù)的合成處理，可以達(dá)到涵蓋這些陣列的拋物面雷達(dá)的解析度。也就是說，當(dāng)兩天線相距d距離時(shí)，其解析度同等於以d為直徑的拋物面雷達(dá)，不過接收功率僅為2個(gè)天線之接收功率和。也因?yàn)闆]有拋物面將回波＂加成＂，因此對(duì)於強(qiáng)度小於單一天線能感測(cè)強(qiáng)度之最小值之回波，此種雷達(dá)是無法感應(yīng)的。
不論是拋物面或平面陣列式雷達(dá)，皆屬於機(jī)械掃描雷達(dá)，靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線面來改變波束方向，因此其資料更新率與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)周期有關(guān)，這受到機(jī)械結(jié)構(gòu)等問題影響而不會(huì)太快，一般更新周期以秒計(jì)。
拋物面雷達(dá)於平面陣列雷達(dá)之比較
口徑相同時(shí)，兩者的解析度相同，不過拋物面雷達(dá)接收到的功率是整個(gè)面接收到的能量的加成，故能接收強(qiáng)度較小的回波。而平面陣列雷達(dá)接收到的功率是每個(gè)天線的加成，其平面不可能全部都是天線，因此總功率低於拋物面雷達(dá)，且無法接收強(qiáng)度低於天線感測(cè)下限的回波。因?yàn)橹圃旃に嚨囊蛩兀由舷嗤慕馕龆?，因此?zhàn)機(jī)上拋物面雷達(dá)漸漸被取代。就好像如果可能的話，所有的天文學(xué)家都會(huì)希望有一個(gè)直徑跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，但那是不可能的，因此只能藉由整合分開的小望遠(yuǎn)鏡來達(dá)到要求的解析度。
關(guān)於雷達(dá)天線的指向
從觀察雷達(dá)天線的方向(就是電偶極/electric dipole的方向)，可以大概知道雷達(dá)的功能。仔細(xì)觀察時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)目前飛機(jī)上的平面陣列雷達(dá)，其天線都是水平放置的，而像俄羅斯X-35/Kh-35＂天王星＂反艦導(dǎo)彈上的平面陣列雷達(dá)之天線，就是垂直放置的。詳細(xì)情形我目前也不太清楚，我猜想這是因?yàn)檫@些飛機(jī)雷達(dá)需要兼顧對(duì)地性能(平面陣列雷達(dá)出現(xiàn)後的飛機(jī)一般都已具備對(duì)地能力)，而掠海飛行的反艦飛彈不需要下視，只要要求視野寬廣即可。
前面提到電磁波的發(fā)射，以及電偶極方向與電磁波強(qiáng)度之關(guān)系。從那里我們可以看出水平放置以及垂直放置的天線發(fā)出電波的能量分布，并從中得到放置方式與功能的關(guān)系。在前者，電磁波在俯仰方向上是最強(qiáng)的，往兩側(cè)漸漸減弱；在後者，水平方向是最強(qiáng)的，而往上下兩側(cè)漸漸減弱。所以說當(dāng)天線水平放置時(shí)，可以在俯仰方向維持高強(qiáng)度雷達(dá)波。故推測(cè)可能是為了兼顧對(duì)地處理能力而做這種布置。
相控陣?yán)走_(dá)之波束產(chǎn)生原理與平面陣列雷達(dá)其實(shí)是相同的，但多了相位控制功能因而可不必借助機(jī)械而改變波束方向。在解釋此原理前先幾個(gè)波的專有名詞：波前、相位。波前定義為與波行進(jìn)方向垂直之曲線或曲面，例如平行波波前即為垂直於波束之平面，球狀發(fā)射波之波前為球面波等，換言之可以用波前的擴(kuò)散來想像波的行進(jìn)。相位就是相角，與位置、波長、周期、時(shí)間等有關(guān)，相位差就是相位的差異。如果撇開數(shù)學(xué)，純粹定性的話，在雷達(dá)天線面上，各天線同時(shí)發(fā)射電磁波，則各電磁波就是同相，如果各天線發(fā)射電磁波有先後次序，則各天線發(fā)射之電磁波有相位差。這么解釋較容易體會(huì)吧！現(xiàn)在來考慮同相的情況，我們?cè)趚軸上等間格安置一模一樣的點(diǎn)波原，點(diǎn)波原在平面上傳波方式為圓形平面，現(xiàn)在只要考慮x軸以上，因?yàn)樗cx軸以下情況是一樣的。今假設(shè)過了一段時(shí)間，各波原產(chǎn)生的波行進(jìn)的距離是一樣的，因此可以各波原為圓心取相同半徑畫半圓，如此可得到各波波前交織在一起的圖像，如果繼續(xù)畫下去，不論里面交得多亂，最前端的形狀幾乎是一樣的，即許多圓弧交線的最前端，事實(shí)上這就是其巨觀之波前?，F(xiàn)在，我們?cè)诿績牲c(diǎn)中間再加一個(gè)點(diǎn)波原，趙相同方法作圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)最前端曲線，也就是合成波前，更加平滑，所以說，當(dāng)點(diǎn)波原距離越近，合成波前就越接近與這些點(diǎn)波原連線平行之曲線(在此為直線)，這就是＂海更士原理＂，只不過海更士是倒過來說的：＂波前可視為無線多個(gè)點(diǎn)撥圓的連線。＂經(jīng)由實(shí)驗(yàn)可以知道這是成立的。對(duì)了，有沒有注意到，這就是平面陣列雷達(dá)產(chǎn)生近平行波束的原理！
接著，討論有相位差的情況了，這就是相控陣?yán)走_(dá)控制波束的原理了。同樣的，我們?cè)趚軸上等間格安置一模一樣的點(diǎn)波原，為了方便說明，由左到又依次編號(hào)1，2，3....，并假設(shè)由1開始每格一個(gè)周期T的時(shí)間間隔下一個(gè)點(diǎn)波原才開始發(fā)射(時(shí)間間格可以自己挑，不過選擇一個(gè)周期最好畫)。好，開始畫圖吧：t=0時(shí)，1號(hào)開始發(fā)射。t=T時(shí)，2號(hào)開始發(fā)射，因?yàn)榻?jīng)過了一個(gè)周期，所以1也開始發(fā)射下一個(gè)波。t=2T時(shí)，以1號(hào)為圓心有兩個(gè)半圓，以二號(hào)為圓心有一個(gè)半圓，同時(shí)1,2,3同時(shí)發(fā)射下一個(gè)波。照這樣畫下去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)跟先前同相時(shí)的例子一樣的圓弧交線，而且是朝著右上方傳遞的，當(dāng)波原很接近時(shí)，該曲線就接近直線了。波就是這樣往右偏折的。同樣的道理，可以知道波如何往左、往上、往下偏。這就是電子掃描雷達(dá)的原理。當(dāng)然要提升其效能就有其他復(fù)雜的工程問題了，如天線的密集度、處理資訊的能力等等。
因此相控陣?yán)走_(dá)可選擇雷達(dá)面上相鄰的數(shù)個(gè)天線來當(dāng)一個(gè)雷達(dá)用，或選用多個(gè)區(qū)塊構(gòu)成多組雷達(dá)來偵查同一目標(biāo)以增加解析度，有的書籍上說相控陣?yán)走_(dá)的每一個(gè)天線都相當(dāng)於一個(gè)雷達(dá)，這會(huì)造成相當(dāng)大的誤解：如果每個(gè)都是雷達(dá)，何必選用一組去照射目標(biāo)？每個(gè)天線固定在那里，要怎么去轉(zhuǎn)向？了解其原理，就能避開誤解了。由於是使用電子控制相位差掃描而不用機(jī)械，再加上可針對(duì)性的掃描，因此資料更新率以微秒計(jì)，遠(yuǎn)優(yōu)於機(jī)械式雷達(dá)。此外由於相控陣?yán)走_(dá)可制造窄波束，因此也具有電戰(zhàn)功能，當(dāng)然波束能多窄式取決於其他技術(shù)的，像美國APG-77雷達(dá)就可發(fā)射發(fā)散角僅2度(最外側(cè)波行進(jìn)方向與中央線之夾角)的窄波束。具有更好的反探測(cè)及電戰(zhàn)能力
看看這里，就知道了。
相對(duì)于相控陣透鏡天線的兩大優(yōu)勢(shì)是：透鏡天線的旁瓣和后瓣小，其方向圖比較好以及透鏡天線對(duì)制造透鏡的精度要求不高，因而制造比較簡單方便。
透鏡的基本原理：在各種形狀的電磁輻射器前加裝介質(zhì)透鏡，可將電磁輻射能會(huì)聚成窄波束。透鏡就是能將電磁波通過時(shí)折射率不等于1的“鏡片”電磁輻射源釋放的電磁球面波路經(jīng)過“鏡片”作用后可以轉(zhuǎn)變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡的折射系數(shù)也往往是變化的，可以是位置的函數(shù)。透鏡的結(jié)構(gòu)影響著其口面場分布。
在制作透鏡前，可根據(jù)使用需求提前確定透鏡的折射系數(shù)和形狀，當(dāng)選取折射系數(shù)大于1的材料介質(zhì)制成，那么這個(gè)透鏡就是會(huì)聚的，通常稱為減速透鏡；透鏡材料的折射系數(shù)小于1時(shí)，透鏡的作用是發(fā)散的、加速的，通常稱為加速透鏡。當(dāng)透鏡正反兩面都是折射面時(shí)，則稱為雙面透鏡，當(dāng)只有照射面是折射面時(shí)，則稱為單面透鏡。
龍伯透鏡天線：
透鏡天線中的透鏡是一組光學(xué)器件，具體是利用透鏡的折射率特性，將改變天線的增益（光學(xué)術(shù)語也可以是聚焦方向），應(yīng)用于微波頻段中的透鏡天線，主要利用透鏡來修正饋源天線發(fā)出的球面波或柱面波，最終以平面波的形式實(shí)現(xiàn)電磁波能量的聚焦。
其中透鏡天線中的透鏡主要由均勻透鏡和非均勻透鏡兩組組成，而龍伯透鏡屬于非均勻介質(zhì)的透鏡，不斷改變電磁波束的傳播方向，以此來來實(shí)現(xiàn)天線的增益。
鏡天線中的一種重要形式，理想的龍伯透鏡的相對(duì)介電常數(shù)從球心為2到表面為1連續(xù)變化，具有獨(dú)特的完美光學(xué)聚焦性能，它的研究歷史可追溯到20世紀(jì)40年代RKLueburg最先基于幾何光學(xué)理論提出龍伯透鏡。