第 6 章 反射面天线
Helmut E Schrank
Gary E Evans
Daniel Davis
61 引言
天线作
雷达天线基作实现电磁波空间传播导波传播间转换发射期间天
线特定功辐射集中具某种形状定波束射指定方目标接收
期间天线收集目标反射回波信号量送接收机发射方式接收方式
工作时雷达天线起互易然相互关联作两种方式者作中目
精确确定目标方角实现目需高度定（窄）波束仅
达需角精度够分辨相互目标雷达天线重特性定量
波束宽度表示表示发射增益效接收孔径两参量相互成正
检测距离角精度直接关系许雷达设计成工作微波频率时适物理尺
寸天线获窄波束宽度
雷达天线功性描述意味着副天线发射接收然数雷达
系统样工作例外单基雷达采收发分离天线然双基
雷达定义必定收发分离天线章中重点介绍较常单部天线特广
泛反射面天线相控阵天线容参见第 7 章
波束扫描目标踪
雷达天线般具定波束范围角度覆盖求窄波束快速复空域扫
描保证目标方探测警戒雷达搜索雷达功雷
达系统设计成旦探测目标便进行踪种踪功求专门设计警戒雷达天线
天线某雷达系统中特机载雷达中天线设计成具搜索踪
功
测高
数警戒雷达二维坐标 测定目标距离方位坐标 早期雷达系统中
外测高天线通机械俯仰摆动测量第三坐标 仰角 计算出空中目标高度
现设计 3D 雷达采副天线测量三坐标例部天线接收方式工作时
俯仰方形成堆积波束发射方式工作时形成宽覆盖垂直波束波束水
方样窄垂直堆积接收波束两相邻交叠波束测量回波振幅确定目标仰雷 达 手 册2 1882
角
天线分类
雷达天线分两类光学天线阵列天线顾名思义光学天线基光学原理
包含两子类反射面天线透镜天线反射面天线然广泛应雷达中透
镜天线然通信电子战（ EW）场合已现代雷达系统中
减少篇幅透镜天线书中详细讨第版中关透镜天线参考资料保留
章末参考资料中
62 基原理参量
节简述天线基原理着重介绍雷达系统设计师术语定义雷达
系统选择佳类型天线系统设计师应该选择种类型天线基性特征清
楚认识 [1]包括反射面天线（章讨）相控阵天线（第 7 章讨）间选择
相控阵列馈电反射面天线
然章着重讨反射面天线节讨许基原理适天线
天线必须考虑三基参量包括：
增益（效孔径）
辐射方图（包括波束宽度副瓣）
阻抗（电压驻波 VSWR ）
基考虑互易性极化节做简介绍
互易性
数雷达系统采副天线发射接收部分样天线
互易性设备含义性参量（增益方图阻抗）两种工作方式样
互易性原理 [2] 允许天线成发射设备成接收设备具体讨
时更方便定允许种工作方式测试天线（参见 610 节）
非互易雷达天线例子非互易铁氧体元件相控阵天线收发模块中含放器
源阵列天线 3D（距离方位仰角）雷达测高天线者代表 ANTPS— 43 雷达 [3]
接收时采仰角堆积交叠波束发射时采宽仰角波束水方波
束样窄必须分测试非互易天线发射特性接收特性
增益方性系数效孔径
术语天线增益描述副天线量聚集窄角度范围 （方性波束） 力
天线增益两相关定义方增益功率增益前者通常称做方性系数
者常称增益清楚理解两者间区非常重
方性系数（方性增益）定义辐射强度（立体弧度瓦数）均辐射强
度第 6 章 反射面天线 2 1892
4辐射总功率
率立体弧度功
均辐射强度
辐射强度
DG （61）
远场距离 R 处辐射功率密度（方米瓦数）距离均密度
表示
2
max
2 44 RP
P
R
G
t
D
辐射总功率
辐射功率密度
（62）
方性系数定义指实际辐射功率密度辐射功率性分布时功
率密度强少倍注意定义包含天线中耗散损耗辐射功率集中关
增益（功率增益）包含天线损耗天线输入端收功率 P0 定义辐
射功率 Pt
2
0
max
2 44 RP
P
R
G
收总功率
辐射功率密度
（63）
实际（非理想）天线辐射功率 Pt 等收功率 P0 天线辐射效率子
0PPt （64）
例典型天线耗散损耗 10 dB 790 输入功率 79辐射
余部分 )1( 21转化热反射面天线部分损耗发生连接馈源
传输线够做 1dB
较式（ 62）式（ 63）式（ 64）求增益方性系数间简单关系：
DGG （65）
理想耗天线（ 10 GGD）外天线增益总方性系数
方性系数 波束宽度间似关系
天线方性系数波束宽度间似非常关系（参见 23 节）：
elaz
40000
BB
GD （66）
式中 Baz Bel 分面方位俯仰半功率波束宽度（单位 ）关系方
性系数 46 dB 1 3 1 笔形波束等价基组合天线似方性系数
快求出例 1 3 2 波束应方性系数 43 dB波束宽度加倍应方
性系数降 3dB类似 2 3 2 波束应 40 dB1 3 10°波束应 36dB 方性系数
次类推次波束宽度变化转换成分贝方性系数做相应调整关系
适赋形（余割方）波束
效孔径
天线孔径波束方垂直面投影实际面积效孔径概念分析
天线工作接收方式时面积 A工作波长 理想（耗） 均匀射孔
径方性增益
24 AGD （67）
式表示孔径 A 提供增益意味着天线理想相位等振幅分布
减方图副瓣天线通常均匀射渐变射（孔径中心边雷 达 手 册2 1902
缘较）时天线方性增益式（ 67）出
24 eD AG （68）
式中 Ae 天线效孔径捕获面积等孔径 1 子 a（称孔径效
率）积：
AA ae （69）
孔径效率称孔径效包括转化热 RF 功率说
含耗散效应定孔径利效程度量度说孔径效率 50（ a05）
天线均匀射孔径增益低 3dB耗散半功率效孔径表示均匀
射孔径该孔径实际非均匀射孔径具相增益效孔径面积
入射功率密度相出天线接收功率：
eir APP （610）
辐射方图
电磁三维角空间中分布表示成相（化）基础曲线时称天线辐射方
图种分布种方式绘制成曲线极坐标直角坐标电压强度功率密度单
位立体角功率（辐射强度）等图 61 示典型圆孔径天线方图该图等距离
数功率密度（垂直坐标分贝计）方位角俯仰角关系绘制直角坐标系中方
图瓣（波束）笔形波束（圆截面） 四周较瓣通常称副瓣角坐标
原点取瓣峰值方通常称天线电基准轴
电基准轴天线机械轴（称轴时称视轴 ）重合重合两者
重合（常常意） 角度差称视轴误差测量目标方时必须考虑种误差
图 61（a）示天线方图三维特性种形式绘制方图需量数
样数够绘制成等功率电轮廓线图图 61（c）示轮廓线图系列水
面三维方图功率电处交线显示功率角空间分布
数情况二维方图足够测量绘制起较方便例果
图 61（a）方图通波束峰值 0 方位垂直面相截 方图二维切片 切
割称面垂直方图 图 61（b）示第面垂直正交面（含峰
值 0 仰角）做类似切割谓方位方图面截面中包
含波束峰值包含角坐标轴
面时称基面通波束峰值垂直面称基间
面描述天线方性 时需测量绘制± 45 基间面方图 然
数情形需绘制方位俯仰方图足够者说两包含波束轴面切割三
维方图采样足够（济）
术语方位俯仰意味着面参考坐标总行尤机载天基
（星基）系统通常天线更通面线性极化天线谓 E 面 H 面
中 E 面方图包含天线辐射 E 场（电矢量）方面 H 面正交
包含 H 场（磁矢量）方两面赖基面方（方位俯仰） 广
泛应第 6 章 反射面天线 2 1912
图 61 典型笔形波束方图：
（ a）整方图三维直角坐标曲面图 （ b）面垂直方图
（c）等强度（等射）线（美国海军研究实验室 D Dhoward 提供）雷 达 手 册2 1922
应该注意三维方图采样限述面切割测量技术观点时
取锥形切割意义方便天线电轴（机械轴）中心取角宽度
角锥截三维方图
图 61（b）中示典型二维方图常常绘制直角坐标系中垂直轴分贝表示
绘制方图时广泛采形式清楚提供方图细节具宽
电动态范围形式图 62 示图中示出 (sinx)x 方图
4 种形式：（a）相电压（强度）极坐标曲线 （b）电压直角坐标曲线 （ c）相功率
（密度）直角坐标曲线 （d）数功率（分贝表示）直角坐标曲线图 62（a）（ b）
（c）中线性电压功率刻度适合显示方图中低电细节图 62（d）便
清整方图然极坐标方图够径分贝绘制低电细节压缩
方图中心附视性差图 62 说明常采直角坐标分贝方图原
波束宽度
天线方图特征瓣波束宽度角宽度瓣连续函数
宽度峰值零点 （点） 样 频繁半功率波束宽度 （HPBW ）
图 62（a）（ b）中出现 0707 相电压处图 62（c）中出现 05 相功率处
图 62（d）中 3 dB 处时规定测量波束宽度十分功率（ 10 dB）
波束宽度零点间波束宽度果没特殊说明简单术语波束宽度指半功率（ 3dB）
波束宽度半功率波束宽度常做天线分辨力量度果等距离处两目标
够通半功率波束宽度分开说明两目标角度分辨
天线波束宽度天线孔径关孔径振幅相位分布关定
分布波束宽度（特定面切割）波长表示该面孔径尺寸成反半功
率波束宽度表示
DKDK )(HPBW （611）
式中 D 孔径尺寸 空间波长 K 称波束宽度子例常数振
幅分布（假定线性相位分布）相应波束宽度子弧度度表
示
副瓣
瓣（波束）区域外天线辐射方图常常量较波瓣组成中波
束副瓣然通常做法较波瓣统称副瓣中波束称
头副瓣偏离瓣 180 左右较波瓣称背瓣
雷达系统问题源副瓣发射方式时副瓣表示辐射功率浪费辐射
射方预期波束方 接收方式时 量希方进入系统
例探测低空飞行目标雷达够通副瓣接收强物回波（杂波） 够掩盖低
RCS 目标通瓣进入弱回波时友方源意干扰信号（电磁干扰 EMI ）
非友方源意干扰够通副瓣进入常常（总）雷达天线副瓣
设计低（兼顾需考虑素） 便述问题 （注意：存需
副瓣系统例瓣杂波干扰系统容许天线副瓣稍高第 6 章 反射面天线 2 1932
获窄瓣零功率宽度 ）
图 62 (sinx)x 方图种表示形式
获低副瓣天线孔径振幅分布必须设计成渐变定天线增益意味
着必须采较天线孔径反定天线尺寸较低副瓣意味着较低增益相
应较宽波束宽度考虑副瓣增益波束宽度间佳折中（权衡）选择设计雷达天
线重第 7 章图 723 Taylor 佳振幅分布 [4][5] 时种权衡关系 Taylor 振幅分
布广泛雷达天线副瓣抑制组曲线矩形（线性）孔径组圆 Taylor
分布
天线方图副瓣电种方法表述通表述相副瓣电 定义
副瓣峰值电瓣峰值电例 30 dB 副瓣电指强度（辐射功率雷 达 手 册2 1942
密度）表示时副瓣峰值瓣峰值千分（ 10 3 30 dB）副瓣电相
性天线 绝电定量表示例中果天线增益 35 dB 30 dB 相副
瓣绝电 +5 dBi高性天线 5 dB某雷达系统单副瓣峰值电
副瓣均电重特诸机载预警控制系统（ AWACS E— 3A ）
机载视雷达求非常低（超低）均副瓣抑制杂波均副瓣种功
率均 （时称 rms 电 ）通瓣外副瓣功率求积分 表示成相
性天线分贝值（ dBi）例果辐射功率 90波瓣中 10
副瓣中 应 10 dBi 均副瓣电 果瓣中包括辐射功率 99均
副瓣电 001 20 dBi 超低均副瓣电定义低 20 dBi 通仔细设计加工
已实现
描述副瓣电种方法（常时意义）采中值电 意义
半角空间副瓣电高该电值半低该电值
极化
天线极化方定义电场（ E 场）矢量方许现雷达天线线极化
常常垂直极化水极化 然表示隐含面参考 机载卫星天线
常
雷达圆极化便探测雨中飞机等目标种情形固定观察点
E 场方时间变化 传播方垂直固定面 RF 周期描绘轨迹
圆圆极化（ CP）两种情况右旋圆极化（ RHCP ）左旋圆极化（ LHCP ）
RHCP 电矢量相波离开观察点行进方呈时针方旋转 LHCP 逆
时针方旋转 RHCP LHCP 定义够手说明：拇指指传播方四指握
方 E 矢量旋转方互易性设计成某特定极化方式辐射天线
接收样极化
般极化椭圆极化 （EP）成完全 CP E 场轨迹椭圆
圆 Kraus 著作 [6][7] 深入浅出讨极化
点雷达天线重仅考虑辐射接收什极化考虑极化纯
纯例精心设计垂直极化天线某方（通常偏离波束方）辐射
少量正交水极化 类似 设计 RHCP 天线辐射某 LHCP RHCP
数学正交希极化称极化（ COPOL ）希极化称交叉极
化（ CROSSPOL）极化纯度副瓣区瓣区样重某具低 COPOL 副瓣天线
果设计适具较高 CROSSPOL 副瓣引起杂波干扰问题副精心
设计天线瓣区 CROSSPOL 分量 COPOL 少低 20dB 副瓣区低 5～10 dB
天线反射面 飞机螺旋桨舰船层结构 够影响天线极化纯度应该抑
制（控制）影响
63 天线类型
反射面天线种样形状相应射表面馈源种样种特第 6 章 反射面天线 2 1952
定场合图 63 示常种节详细述图 63（a）中抛物面天线
焦点处馈源辐射聚焦成笔形波束获高增益波束宽度图 63（b）中
抛物柱面天线面实现行校正面允许线性阵列该面
波束够赋形灵活控制 波束面赋形方法示图 63（ c）图中
表面抛物面种较简单结构孔径波相位变化波束形
状控制调整线性阵列振幅调整相位抛物柱面灵活
图 63 反射面天线常类型： （a）抛物面天线 （b）抛物柱面天线 （ c）赋形天线
（ d）堆积波束天线 （e）单脉天线 （f）卡塞格伦天线 （g）透镜天线
雷达设计师常常需波束实现空域覆盖角度测量图 63（d）示出位
置馈源产生组角度二次波束增加馈源两条限制离开焦点愈远散
焦愈严重孔径遮挡增更常见波束设计图 63（e）示单脉天线
顾名思义单脉确定角度该例中第二波束通常差波束零点
正第波束峰值处
典型反射体系统图 63（f）中卡塞格伦天线通次波束赋形提供
度馈源系统方便置反射体面图示称配置存明显遮挡
偏置配置预期够实现更性
透镜天线（图 63（g）示）样流行相控阵天线提供
透镜天线提供众功透镜避免遮挡遮挡尺寸馈源系统反
射面天线中允许种类型透镜均已研究 [8] ～[13]
现代天线设计中 基类型组合变形广泛应 减少损耗副瓣
提供特定波束形状位置雷 达 手 册2 1962
抛物反射面天线
抛物反射面天线原理设计参见文献 [2] ～[4][14][15] 基关系图 64（ a）
示假定导体抛物反射面焦距 f焦点 F 处馈源光学原理证明
F 入射反射面球面波反射变成 +z 方传播面波图 64（b）示
图 64 抛物反射体表示： （a）关系（ b）工作特性
分析中两种坐标系图 64（a）示直角坐标系 (xyz)中顶点原点 (000)
抛物面方程
fyxz 4)( 22
（612）
馈源原点球坐标系 ( )中抛物面方程
2
sec2f （613）
种坐标系设计馈源方图例馈源反射体边缘张角式求出：
fD 4
2
tan 0 （614）
图 65 中孔径角 2 0绘制成 fD 函数 具较长焦距反射体较坦 引起极化畸
变偏轴波束畸变 求次波束窄 求馈源例 f D10 反射体
求喇叭口尺寸似 fD025 反射面求 4 倍数反射体焦距 f 选
直径 D 025～05 倍间
设计馈源特定渐变方式射反射体时必须考虑表面距离 球面波
功率密度 1 2 降馈源方图空间锥削积知反射面边缘电
低反射体中心空间锥削分贝表示
2
2
)4(1
)4(lg20)dB(
Df
Df
空间锥削 （615）
式（615）关系图 66 示表明意义贡献出现较焦距处 低副瓣应中
振幅衰减馈源方图结合便获特定形状孔径边缘分布第 6 章 反射面天线 2 1972
图 65 抛物反射面边缘张角
图 66 馈源球面波扩展产生边缘衰减（空间损耗）
然反射面通常画成圆 位中心点馈源圆称射 采种形状
图 67 示 通常水垂直波束宽度求 求图 67（b）中橘
瓣形椭圆形反射面雷 达 手 册2 1982
旦副瓣电减馈源遮挡忍受程度 必采偏置馈电 （图 67（c）
示）焦轴反射面相交 馈源然处反射面部分焦点处 考虑馈源
圆盘离馈源较远边较空间衰减偏置抛物面馈源必须准反射面面积
中心外结果形成非称射
图 67 抛物反射面天线外形轮廓： （ a）圆（ b）椭圆（c）偏置馈源
（d）斜拐角（e）方形拐角（ f）阶梯拐角
数抛物反射面具圆拐角斜拐角（图 67（ d）示）减面积特
需转动天线减转矩掉面积射弱增益影响然圆椭
圆外形面外角度均存副瓣果指定低副瓣面必
保持方形拐角图 67（e）示
抛物面天线然许雷达天线基形式助简单馈源
提供效增益波束宽度
抛物柱面天线 [2] [16] [17]
通常情况俯仰方位波束中需控赋形线源馈电
抛物柱面反射面够适代价实现灵活性设想线源馈电种形式
行板透镜缝隙波导采标准设计相控阵 [2]～[4]
甚两方图均固定形状场合抛物柱面天线 ANTPS — 63（图 68
示）例中俯仰波束形状水面方必须陡峭裙形便工作低仰角
受面反射影响垂直阵列够等高度赋形抛物面产生更陡峭裙形赋形抛
物面高度部分高仰角覆盖种阵列高波束低波束叠加公孔径
波束利全部高度
基抛物柱面图 69 示图中反射面轮廓线
fyz 42
（616）
馈源焦线 FF ′ 反射面点相馈源中心位置 x fsec2
( 2)空间衰第 6 章 反射面天线 2 1992
减外 抛物面许准抛物柱面 馈源量发散柱面 球面
功率密度 降 2 降式（ 615）空间衰减分贝表示时会
减半
图 68 ANTPS — 63 雷达抛物柱面天线（原西屋电气公司提供）
抛物柱面高度长度必须线性馈源阵限波束宽度形状扫描角相适应正
图 69 示侧射面夹角 处次波束距顶点 f tan 处反射面相交
受控线源次波束峰值落圆锥反射体顶部左右拐角相应交线更
远 fsec2( 02)tan 处基原抛物柱面拐角实际少圆
果抛物柱面称受遮挡常常制成偏置然适设计单
元偏置线源馈电柱面够具优良性 （图 610 示） [18] 种设计变形反射体
轴线水线阵馈电便获低副瓣方位方图高度赋形满足俯
仰覆盖种济代完全二维阵列设计雷 达 手 册2 2002
图 69 抛物柱体：（ a）形状（b）形状延展
图 610 测试低副瓣抛物柱面盒状结构测方图
（罗姆航空发展中心 Ronald Fante 提供）第 6 章 反射面天线 2 2012
赋形反射体
种种原需具指定形状扇形波束常见需求俯仰波束提供等高度
覆盖果忽略次素发射接收波束相功率方图 csc2 成正
够做点里 仰角 [2][19] 实际众周知余割方方图已种类
似然更特殊形状拟合球曲率考虑灵敏度时间控制（ STC）形状取代
波束赋形简单方法反射面赋形图 611 示 反射面部分指
方光学适范围该角度处振幅馈源部分
功率密度积分 Silver [2] 图形说明确定余割方波束轮廊线程然利现代计
算机够通反射次波束直接求积分精确逼意波束形状样做时设
计师似达需精度特考虑次波束方位渐变准仰角 扇
反射体方位面聚焦仰角 适外形等（图 612 示）没
防范措施偏轴副瓣会香蕉形扇面产生
图 611 反射面赋形
图 612 三维赋形反射面天线设计
数赋形反射面利赋形馈源置二次波束外 图 613 显示 馈源
着反射面遮挡实际消
ASR— 9（图 614 示）程设计赋形反射面天线代表俯仰赋形方
位裙形波束副瓣计算机辅助设计程密切控制
赋形反射面局限性孔径相部分没形成波束果馈源方图称
功率半指宽角波束利孔径半两倍波束宽度雷 达 手 册2 2022
相位形成阵列方图果形成尖锐裙形方图会导致严重问题通
增加馈源避免类问题
图 613 遮挡消
图 614 ASR— 9 雷达具偏置馈源赋形反射面天线
安装顶部空中交通制信标系统（ ATCRBS）阵列天线
（原西屋电气公司提供）
波束增加馈源 [19]～[21]
抛物面焦点处馈源形成焦轴行波束 偏离焦点附加馈源形成焦轴呈
定角度附加波束 反射面天线种强力力 通适增加硬件延
伸覆盖范围 附加波束够具全增益 相邻波束通相互较获取角
度信息
馈源焦点时抛物面球面波反射成面波馈源偏离焦点时相位畸变
波束宽度表示中角位移增增 焦距增减 图 615 示出馈源
偏轴移动时畸变典型碟形天线方图影响具长焦距碟形相位畸
变着馈源移动断减少射反射面部分实现样目第 6 章 反射面天线 2 2032
图 615 偏轴馈源方图
设计增加馈源天线时两种二次效应重影响偏轴馈源行焦轴移动
畸变区域反射体横移动时反射面旋转抛物面正交面（通常方位面）
聚焦会改变已发现位偏置馈源正前面反射体区域通持续焦面
移动两面改善点清楚表示图 616 示 ANTPS — 43 天线侧视
图中仔细审视馈源出着馈源偏轴逐渐变保持偏焦波束数
变情况形成俯仰波束逐渐变宽雷达覆盖范围宽仰角降低距离求时
常常做
某目增加馈源根焦面附反射面收集某角度范围
行射线研究汇聚射线路径 （图 617 示）显然找够截获部分量区域
处适相位振幅激励区域时馈源阵够角度效形成波束
力已种系统中作限扇区形成灵活波束种方法作波束赋形
形成极低副瓣射功种方法类天线种图 618 示雷 达 手 册2 2042
图 616 ANTPS — 43 雷达波束天线（原西屋电气公司提供）
图 617 偏离焦面增加馈源： （a）关系 （ b）馈源细节第 6 章 反射面天线 2 2052
图 618 采增加馈源方法低副瓣反射面天线（原西屋电气公司提供）
单脉馈源 [22]～[25]
单脉波束天线常见形式通常踪系统该系统中移动天线目标
保持零点附实现机械测角警戒系统相反采交叠波束根 RF 差数
测角
两种基单脉系统——相幅 图 619 示 幅系统雷达天线中流
行运两馈源输出形成高增益低副瓣波束运两馈源输出差视线
形成精确深零点波束发射接收探测目标差波束测角常常
方位差波束俯仰差波束
图 619 单脉天线：（ a）相（b）幅雷 达 手 册2 2062
果反射面四单元馈源组合射 波束高效率差波束高斜率总目标
间会存突 前者求喇叭口总尺寸 者求单喇叭口尺寸 （图 620
示）已许方法解决问题相关差波束高副瓣问题种情形
安装单元组合较器获波束差波束 某情况 两模式
激励方式工作超尺寸馈源实现目 Hannan[24] 已种配置结果综合
列表 61
表 61 单脉馈源喇叭性
喇 叭 类 型
H 面 E 面 副瓣（ dB）
馈源形状
效率 斜率 斜率 差
简单四喇叭 058 12 12 19 10
两喇叭双模式 075 16 12 19 10
双喇叭三模式 075 16 12 19 10
十二喇叭 056 17 16 19 19
四喇叭三模式 075 16 16 19 19
图 620 差喇叭设计中相互突渐变求（示 H 面）

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