相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法论文
第1篇：相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法论文
相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法论文
【摘要】针对相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计问题，从系统设计的功能需求进行分析，设计系统层次架构与功能模块等，进而构建多任务测试系统，以提高天线近场测试效率。
【关键词】相控阵雷达;天线;多任务;测试系统;设计方法
近场天线测试系统作为相控阵雷达天线性能测试的主要手段，该系统随着相控阵天线技术的完善，其测试效率也不断提升。基于应用需求，近场天线测试系统实现多任务测试是发展的主要趋势，目前该系统也已经被广泛的推广应用。
一、相控阵雷达天线概述
相控阵雷达包括有源电子扫描阵列雷达、无源电子扫描阵列雷达，其主要是通过改变天线表面的阵列波束合成形式，进而改变波束扫描方向的雷达。此类型的雷达天线的侦测范围较为广泛，利用电子扫描，能够快速的改变波束方向，精准的测量目标信号。
二、近场天线测试系统建设功能需求分析
近场天线测试系统设计，需要做好软件需求分析，此系统功能需求如下：1）要能够满足全测试周期可配置，以及软件通用化需求。此功能需求的实现，责任需要构建众多数据源输入接口，配置通信协议以及软件界面等，面向各类相控阵天线测试，进而达到通用化需求目标。2）实现多任务测试。相控阵雷达天线的不断发展，使得传统的单任务测试方法，已经难以满足天线测试需求，基于此进行多任务测试方法设计，在测试探头单独扫描条件下，采取高密度测试方法，即多个频率与波束等，实现高效测试。
三、相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法
多任务测试系统主要是利用软件，进行测试参数预设，包括测试频率、波束角度、扫描架运用范围等。利用数据处理软件，进行分解转换测试，计算各采样点数据，获取天线方向图性能参数，最后显示图像。3.1架构设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统架构设计，其是基于构件化设计思想，利用软件构成元素，由标准接口负责提供特定服务，以支持系统开发。系统架构中的构件库，主要分为数据采集类、三维扫描控制补偿类、方向图与数据处理类，构件存在形式为COM、dll等，使用构件管理工具，则能够进行动态加载与管理，进而在系统开发过程中，进行构件注册与复制，实现版本控制。利用GetTypes静态方法，来获取Assembly内的构件类型，判断构件类型，看其是否为构件接口所派生的，若是则运用Activator动态方法，即CreateInstan函数，来获取构件，实现动态加载[1]。3.2多任务设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计时，需要进行多任务设计。相控阵天线的各波束状态，主要是天线波控分系统控制，天线接收波控指令包，由波控分系统进行分解处理，对天线上的波束扫描进行控制。近场天线多任务测试设计，其核心思想是实现天线实时扫面测试，同时控制天线频率与波束等的.切换，进而实现实时同步切换。多任务测试系统运行的过程中会产生大量的数据，因此为了避免数据访问冲突，则采取创建多线程的方法，进行数据处理，将其分为数据处理与显示型、接收机测试型、伺服控制型线程。线程创建后，将会独立运行，各线程将会在其自身的时间段内，使用CPU，实现轮流执行与并发执行。3.3系统接口设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统功能实现，数据源要与数据服务层实现交互，同时还需要确保数据服务层和客户端实现交互。天线近场测试系统主要是利用数据源插件，来封装底层API驱动或者通讯协议，基于标准函数，形成动态链接库，以实现测试的实时性。系统数据服务层的功能为插件容器，当系统运行时能够实现快速配置查找，动态的将插件放入系统构架中，或者从构架中取出，实现系统功能配置。利用TCP网络通信，实现数据服务层和客户端的信息交互，用户可以登录账号，通过身份验证后，完成界面文件下载，由客户端负责发送TCP连接请求，基于通讯协议，进而实现交互。3.4控制器设计相控阵雷达天线近场多任务测试系统控制器设计，主要包括雷控信号仿真电路、GPIB接口电路、信号转换电路与电源等。系统运行前，控制器通过GPIB接口电路，来接收系统中心的指令，记录测试所需要的频率码与波位码等，将其传送给雷控信号仿真电路，基于定时协议，实现解码与缓存。开始测试后，信号电路接收外触发信号，基于各测试点，将雷控与定时信号传送给天线，实现波位切换，同时而仿真电路能够和雷控信号、定时信号协调发出信号。最后协调控制天线测试所需要的各种信号，实现多任务测试[2]。3.3结束语相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计，需要合理设计系统架构，以及多任务测试功能、接口设计等，以确保系统能够实现多任务测试与可拓展性，提高天线测试的效率。
参考文献
[1]樊会涛,闫俊.相控阵制导技术发展现状及展望[J].航空学报,2015（09）:2807-2814.
[2]金林,刘小飞,李斌,刘明罡,高晖.微波新技术在现代相控阵雷达中的应用与发展[J].微波学报,2013（Z1）:8-16.
第2篇：相控阵雷达系统
揭秘预警机的相控阵雷达系统
现代预警机除了装备有先进的机载远程监视雷达，通常还装有电子侦察、敌我识别，以及通信、导航、指挥控制和电子／通信对抗等多种电子设备。它不但能及早发现和监视从各个空域入侵的空中和海面目标，还能对己方战斗机和其它武器设备进行引导和控制；不但是空中雷达站，更是空中指挥所，在多次现代战争中发挥着无以替代的作用，证明了自身重大价值，成为各国重点开发研制的尖端武器装备。目前，美国、以色列、俄罗斯、瑞典和英国等国装备了自行研制的预警机，日本、法国、印度、沙特、希腊、澳大利亚和巴基斯坦则不惜重金从他国购买预警机，现役预警机总数已逾300架，型号逾20种……从而也成为广大军事爱好者关注的焦点之一。
在我们生活的大自然中，有很多生物，它们的眼睛并不相同。例如，昆虫的眼睛和人类的眼睛就不一样。昆虫的每只眼睛内部几乎都是由成千上万只六边形的小眼睛紧密排列组合而成，每只小眼睛又都自成体系，各自具有屈光系统和感觉细胞，而且都有视力。这种奇特的小眼睛，动物学上叫做“复眼”。蜻蜓的复眼，在昆虫界要算最大最多的，占整个头部的2/3，最多可达2.8万只左右，是一般昆虫的10倍。这样它在空中捕捉小虫时，便能得心应手，百发百中，从不落空。而人们常把雷达比作战争的眼睛。实际上，就像生物的眼睛有很多类型一样，雷达作为战争的眼睛，也有很多种。今天我们要介绍的有源相位控制阵列，简称有源相控阵，就像蜻蜓的眼睛，在所有种类的雷达里面，具有最好的“视力”。那么，什么是相控阵？什么是有源？有源相控阵和蜻蜓的眼睛到底有什么相似之处？这就是我们今天的话题。
相位控制天线阵列——不靠天线旋转实现扫描
在回答什么是相控阵之前，我们需要知道雷达的天线为什么要旋转。我们看到一部雷达时首先看到的就是天线——个头又大又高的部分。雷达作为战争的眼睛，用来看目标的实际上就是天线。大部分雷达，特别是早期的雷达，天线都是需要旋转的，天线要旋转的根本原因是天线的视野不是“广角”的，为了使所有方向上的飞机都能“天网恢恢、疏而不漏”，就要让天线转起来，就像人的眼睛只能看到前方，如果想看到自己两侧和身后的东西，就必须转身一样。它的视野有多宽，主瓣宽度就有多大。也许有人会问，为什么不能把天线做成广角的？这是因为输入到天线的能量如果平均分配到全部方向上辐射，能量就会比较分散，自然就不能传得很远了，所以，雷达主瓣做得比较窄。举例来说，美国E-3预警机的雷达天线的主瓣宽度近似为1°。如果要把全部方向上的空域都扫描一遍，主瓣得先后处于360各不同的位置上。
雷达采用天线旋转的方式，虽然实现了全方向的监视，但缺点也是秃头上的虱子——明摆着的。雷达波下一次再照射到同一架飞机，必须等到天线转完一圈，这个时间叫做“扫描周期”，通常天线一分钟转6圈，也就是每10秒转1圈。在这种转速下，对同一架飞机的连续两次照射，得过10秒之后，这时敌方的飞机可能已跑到3千米以外了飞、其次，让天线旋转的机械装置要比天线不动时的复杂，而且驱动它转起来要耗费更大的能量，安全性和可靠性也不容易保证。
相控阵体制的出现使得天线不用旋转就能实现扫描。它是如何实现扫描的呢？还得从天线说起。天线有很多小的单元——从样子看，像是很多缝隙―每个小的单元都能利用电磁感应原理将雷达蕴含的能量转化成电磁波辐射到空中。雷达发射机向每一个天线单元输入变化着的电流，产生变化的电场和磁场，电场和磁场交替振荡、互相激发，组成能在空间传播的电磁波，雷达发射机所产生的能量就这样被天线带到空中了。在空中一些很小的区域蕴含大部分雷达能量的是主瓣，类似于人眼的正前方，视角最为集中；在空间大部分区域蕴含了其余很少一部分能量的就是副瓣，类似于人眼的余光区域。
主瓣和副瓣到底占多大区域．取决于每一个天线单元辐射出的电磁波在空间叠加后的结果。每一个天线单元辐射出来的能量既有幅度，又有辐角，这个辐角就是“相位控制阵列”中的“相位”。多个天线单元按一定的规律排列，就组成了天线阵列，用计算机分别控制天线单元各自的相位，这就是“相控阵”。控制在空中不同区域或方向上各个天线单元的辐射能量，形成雷达的“镜头”，使其先后照射到不同角度的空间，就像摄像机缓缓移动一样，这实际就是扫描。在实现扫描的过程中，组成天线阵列的天线单元，就像蜻蜓的一个个复眼，最后看到的图像，正是这些复眼所看到的图像合成。而一个个的天线单元组成的天线阵列，就是我们最后所看到的蜻蜓的一只大眼睛。
由于雷达的“镜头”不需要通过机械旋转来定位，因此克服了旋转天线的机械惯性，也克服了旋转天线扫描周期固定的弱点。如果天线先在某个空域上照射到一架飞机，之后又想“再顾茅庐”，只需要通过计算机输入合适的相位，天线就可以立即杀个“回马枪”，实现“指哪打哪”，其间仅需要克服微秒量级的电子惯性。这样，对某一架飞机连续两次照射的时间间隔就不再是扫描周期，而是人们所希望的其它值，比传统的机械扫描天线更容易盯住高机动目标。当然，相控阵天线“回马枪”的绝招不能老用，否则影响其它空域的扫描。就像一个人前行时如果老回头会影响前进的速度一样。举例而言，采用相控阵雷达的预警机在打仗时，如果在某个方向上发现可疑目标后，一般是在2秒钟后调转枪头，马上再往这个方向照射一遍，而不是10秒钟后再照射一遍。也就是说，机械扫描天线不能摸清敌机10秒内的动向，相控阵天线仅仅不知道敌机2秒内的动向。因此，如果让相控阵天线和机械扫描天线比武的话，结果应该是10:2，相控阵以绝对优势获胜！相控阵的这个优点，对于监视高机动性的战斗机是非常管用的。正如蜻蜓的眼睛，对移动的物体特别敏感，一个物体突然出现时，人眼需要0.05秒才能作出反应，而蜻蜓用不了0.01秒就能看清楚了，再加上它的复眼可以随颈部上下左右灵活转动，蜻蜓捕捉起猎物就不费劲了。
大家知道，蜻蜓的众多复眼还有一个奥秘，就是它们有分工或用途上的区别：头部上半部分的复眼负责看远处，下半部分负责看近处。由于相控阵天线可用计算机灵活地控制主瓣形成和扫描，因此人们就可以让众多的辐射单元各司其职―不同的单元组负贵产生不同的主瓣，利用一个天线阵同时产生多个波束，也就是形成多个雷达镜头，起到了蜻蜓复眼的效果，让每一个波束有各自指向和职责。
但是，相控阵天线有一个很大的缺点：随着雷达的“镜头”转到越来越偏的方向上时，视角会不断变宽，主瓣会不断变胖，能量逐渐分散到不可接受的程度。当天线主瓣指向就是天线平面的法线方向时（此时天线主瓣的位置指向垂直于天线阵面），主瓣最窄，能量最集中；当天线主瓣指向越来越偏离天线法线方向时，此时天线主瓣的位置与天线阵列的夹角减小，主瓣变宽。当天线主瓣扫描到偏离天线平面法向60°时，主瓣变宽一倍，能量已分散得很厉害，严重影响到远距离传播。所以，对于采用相控阵体制的天线，通常每一个天线最多只负责扫描偏离法线方向两侧60°范围（共120°）内的目标，以保证性能。如果需要扫描360°则需要三个或更多的天线。
区分有源和无源相控
阵相控阵有无源和有源之分。什么是无源和有源？简单地说，对于每一个天线单元来说，没有独立的功率辐射就是“无源”，有独立的功率辐射就是“有源”。由于“有源”和“主动”在英文中对应的是同一个单词（Active，积极的），因此，有的书上把“有源”译为“主动”,“无源”译为“被动”。
无源相控阵之所以是无源的，在于它的每一个天线单元所辐射出的能量是由发射机集中产生后送过来的，天线相位的改变依赖于计算机控制天线单元后面的移相器。有源相控阵之所以是有源的，在于它的每一个天线单元拥有独立的功率辐射，而不是先接受发射机送过来的功率，再辐射出去。实际上，这些辐射单元也是接收单元，称为发射／接收单元，简称收发单元或T/R,T代表发射，R代表接收；多个收发单元组合在一起称作收发组件。有源相控阵的相位改变靠的是计算机控制收发组件，而不是移相器由于每一个单元
既是一个小的发射机，也是一个小的接收机，实际上就是一部小雷达。可见，有源相控阵的这个特点，仍然极其类似于蜻蜓的复眼。
无源相控阵的原理图中，双向箭头左边是所有雷达都有的部分。雷达在发射电磁波时，激励源首先产生低功率发射机电流，经发射机放大后送至天线单元辐射出去，在空间形成发射波束。在接收时，天线单元则要施展“吸星***”，把分布在雷达周围的、由目标反射回雷达的那些电磁波“吸”到雷达的天线中。由于吸回来的电磁波能量比较微弱，因此先要送到低噪声放大器中放大，然后送入接收机。为接收到微弱的回波，接收机的灵敏度非常高。为使发射机的能量不至于进入并烧坏接收机，正如防止过强的声波震聋人耳一样，安装了双工器，发射时用于保证雷达能量仅仅送入天线而不送往接收机，接收时则保证把雷达能量送入接收机而不是送往发射机，使接收到的能量不至于进入发射机而被发射的能量所淹没。由于发射机和天线在电路上不可能完全匹配，从发射机出来的能量送往天线后会造成一部分发射机能量损耗―就像光线在穿透一块透明的玻璃时，总有一部分光线会从玻璃上反射回来―为避免这部分能量进入并烧坏接收机，还要加装保护器。
无源相控阵和有源相控阵在扫描的灵活性上具有同样优点。有源相控阵胜过无源相控阵之处一是有源相控阵易于产生更大的功率，因为天线辐射出去的总功率是每一个收发单元的合成，所以，要增加总的辐射功率，只须增加收发单元的数量，或者提高每个收发单元的功率。在采用有源相控阵的预警机中，通常有成百上千个收发组件，每个收发组件的功率一般不超过50瓦。
其次，有源相控阵的可靠性更高，一是因为有源相控阵不需要集中产生大功率能量的发射机，避免高压高功率的要求，也就避免了高压打火等容易造成发射机故障的问题；二是由于有源相控阵收发组件的高集成度。据统计，有源相控阵的可靠性是采用无源相控阵雷达的10倍以上，而且，由于有源相控阵雷达能量是由大量的收发组件产生的能量合成的，这么多个收发组件如果出现一小撮“非战斗减员”，根本无大碍。而无源相控阵中，由于发射机只有一个，如果坏了，立即“GAME OVER”了。当然，有源相控阵价格比较贵，但随着集成电路技术的进一步发展，它会越来越便宜。
美国的E-3A预警机是世界上第一种采用相控阵体制雷达的预警机，它在水平面上的覆盖仍然靠天线旋转实现，但在高度方向上的覆盖不是靠天线的“低头”和“抬头”，而是用无源相控阵。其天线在垂直方向上有24个辐射单元构成的一排排直线阵，对应于24个移相器。由于天线在高度方向上能够扫描，从而也就能测量目标的高度。因此，它采用的是方位上机械扫描、高度方向上相控阵扫描的一维相控阵、三坐标的雷达。
以色列“费尔康”预警机是世界上第一种采用有源相控阵体制雷达的预警机，也是世界上第一种采用天线阵列的安装与机身外形相符（即共形阵）的预警机，不再采用蘑菇形。天线阵列分布在机头（大鼻子）、机身两侧和机尾，分别负责覆盖不同的方位。全机设计有1472个T/R组件，但是在卖给智利时做了简化：机尾没有配置天线阵，从而存在100°的方位盲区，T/R组件的数量也减少很多，且天线在高度方向上不能扫描，从而不能测量目标的高度，因此，其雷达是一维相控阵、二坐标的。
瑞典的“爱立眼”(ERIEYE）也是目前世界上独具特色的采用有源相控阵体制的预警机：机身背部的天线罩体是平衡木式，内装两块天线阵面，共有192个T/R组件，每个天线阵只负责120°扫描，因此，全方位上有机头和机尾各60°盲区，在高度方向上也不扫描，也是一维相控阵、二坐标雷达。
第3篇：论文 相控阵雷达天线的工作原理及应用
相控阵雷达天线的工作原理及其应用
Xx（鲁东大学 物理学院 09级物理一班 2xxxxxxxxxxxx）
摘要：本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的工作原理，并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点。最后举例说明了相控阵雷达天线的应用。
关键词：相控阵；相位差；天线；
PHased array radar antenna working principle and its applicatio
LuHan
(Lu dong university Physics institute 09 level physics cla20092312579)Abstract: this paper applied the huygensI型SAR天线为集中馈电的相控阵（下图）。它工作于C频段，峰值功率为5000W的波导窄片缝隙相控阵天线孔径面积为15m×1.5m, 质量300kg。方位方向上32个数字式铁氧体移相器可灵活地改变天线的波束指向和形状，使RadarsatП的天线阵
第4篇：天线测试方法介绍
天线测试方法介绍
天线测试方法介绍
对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作，以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术，在过去5年中，国防部门对这些技术的兴趣已经越来越浓厚。虽然有许多不同的方法来开展这些测量，但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如，500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(Anechoic Chamber)，这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是，大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术，也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此，他们无法发挥这种技术的最大效用。随着对频率低至100MHz的天线测量的兴趣与日俱增，天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时，天线测试工程师通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试，使用这种技术时待
