频率扫描天线,简称频扫天线,历史上最早应用于三坐标雷达的雷达电扫天线,频扫天线具有成本低廉,机动性优异,结构紧凑,波束转换速率快等优点,使得其至今仍在雷达系统中大规模采用[3]。频扫雷达主要采用圆锥扫描体制和顺序波束法对探测物体进行测角工作,往往为了能得到精确的目标角度信息,雷达需要多个雷达脉冲回波数据[4]。另外由于目标对不同频率的响应有起伏,也就是多普勒效应(多普勒效应:物体辐射的波长,会随着波源和观测者的相对运动而产生变化。)在多个不同频率的脉冲回波处理的过程当中,自然而然引起了测量误差。随着现代科学技术的发展,基于单一简单频扫体制的雷达系统,无论是跟踪精度,还是在取得目标角度信息方面都已经无法适应未来战场。因此不论是从推进科技理论水平角度还是从解决现实困难角度,找到一个合理的方法解决这个问题刻不容缓。于是人们引入了单脉冲体制。在单脉冲体制中,获得目标的距离信息以及与角坐标有关的全部信息只需要一个回波脉冲信号[5],显然引入单脉冲体制在很大程度上提高了提取目标角度信息的速率,而且消除了多个频率的目标起伏误差,因而有效的提高了测角的精度,从而得到了大规模的应用。80391
频扫天线的波瓣可以做快速的扫描,这取决于发射机频率的变化率和天线设计中的参数[6],在设计天线的过程当中可以改变各参数从而达到项目所要求的指标。对于整个雷达系统来说,在单个扫频脉冲内,在给定的空间区域当中每个地方都会有波瓣的存在,这样的系统可以等效为多波瓣系统,使得雷达具有高数据率[7]。然而对于一个天线来说,由于空间中任一时刻只存在有一个波瓣,在这一波瓣内集中了发射机某频率辐射功率的主要部分,因此增益比较高。通常,我们会把脉冲压缩技术与频率扫描天线技术结合在一起使用[8]。论文网
频率扫描天线可以做到收发共用一个天线,用一个开关隔离收发通道即可实现[9]。频扫天线通过各种幅度加权,可以达到降低天线副瓣的效果。其即可用于高数据率的三度雷达,又可应用于高测量精度的单脉冲雷达中,造价比相控阵天线要低很多。但频率扫描天线也存在一定的缺陷,它需要足够场的时间形成一个完成的稳态波瓣,导致扫描速度受到一定限制[10];其次电磁波在馈线中传播的过程当中,同时也在辐射能量,导致能量在馈线中的损耗比通常的并馈阵列要严重的多,故而扫描阵列最好不要过长,同时也应对波束宽度加以限制[11];环境温度的变化也是导致波瓣指向误差的原因之一,也会影响其使用性能。
通过论证发现,在频扫维加入单脉冲,让波束在频率扫描下,同时拥有单脉冲的功能,进行测角,能够在很大程度上提高雷达系统的定位精度和追踪精度[12]。该设想最早源于美军近程防御“密集型”武器系统的雷达中,它能有效的打击从其他防空系统中遗漏的多个导弹,能实现搜寻,探测,分析,追踪,锁定和打击威胁目标。该系统中最早的火控追踪部分使用了反射面天线以及机械伺服实现,随着武器系统技术的发展变化,该系统开始配上制导武器系统,需要更远的探测力、更快的波扫速率,机械扫描天线已经无法达到未来战场的要求。因此雷声公司与美国海军研究室先进天线研究组合作[13],尝试着对跟踪天线系统进行改良,经过理论上的分析发现假如使用二维有源相控阵天线机制,代价过高,更重要的是,不便于进行大数目的装备。研究发现,倘若使用两平面单脉冲技术,能够在俯仰维完成频扫单脉冲功能,从而达到提高精度以及加快跟踪速度的目标[14]。在美军研究的现实基础上,现阶段我国大量二维电扫相控阵雷达系统均使用的是相频扫体制。通过频扫单脉冲技术研究,提高相频扫雷达的定位精度,增强火控雷达的目标跟踪性能,成为了我们全体研究人员的首要任务。现阶段研究了三种频扫单脉冲实现的可能方式。第一种是基于分段频扫结构的频扫单脉冲天线设计,第二种是基于不同频扫指向波束的频扫单脉冲天线设计,第三种是基于不同幅度分布的频扫单脉冲天线设计[15]。