天线波束和扫描方法

为了提高雷达的工作效率，需要设计天线波束的形状，并使之以特定的方式在给定空域进行扫描。

在推导雷达基本方程时已经知道，雷达收到的回波功率为

\(P_r=A_eS_2=\frac{P_tGA_e\sigma}{(4 \pi )^2R^4}\)

对于收发共用天线，有

\(G=\frac{4 \pi A_e}{\lambda^2}\)

可知

\(P_r=\frac{P_t\lambda^2\sigma}{(4 \pi )^3}\frac{G^2}{R^4}\)

若目标高度为\(H\)，仰角为\(\beta \)，则\(R=H/sin \beta =H csc \beta\)，因此有

\(P_r=\frac{P_t\lambda^2\sigma}{(4 \pi )^3}\frac{1}{H^4}\frac{G^2}{csc^4\beta }\)

如果目标高度\(H\)一定，要保持\(P _r\)不变，则要求\(G/csc^2 \beta = K\)，即

\(G = K csc^2 \beta\)

也就是说，当天线波束为余割平方形时，可以使得同一高度、不同距离目标的回波强度基本相同，这种余割平方形的波束就是扇形波束。

扇形波束主要有圆周扫描、扇形扫描两种扫描方式。

扇形波束在水平面做圆周扫描时，可观察周围目标并测定其距离和方位角。扇形波束在水平面很窄，方位角的精度和分辨力都较高；在垂直面内很宽，可监视较大的仰角空域，效率很高。

必要时，可使波束在所需方位角范围内往返运动，即对特定区域进行扇形扫描，方便获取更详细的信息。

针状波束的水平面和垂直面波束宽度都很窄，可同时获取目标的距离、方位、仰角信息，且角度分辨力和精度较高，主要缺点是波束窄，扫描一定空域所需时间较长，搜索能力较差。

针状波束有螺旋扫描、分行扫描、锯齿扫描等多种扫描方式。

这是广播电视发射天线、移动通信基站天线常采用的一种波束，结构较简单，雷达天线并不采用这种波束。

波束扫描的实现方法有机械扫描和电扫描两种。

利用整个天线系统或其中一部分的机械运动，实现波束扫描的方法就是机械扫描。最常用的就是天线系统整体转动，也有馈源不动，反射体转动的机械扫描方法。机械扫描的扫描速度不高，随着高增益、极窄波束天线的出现，往往需要非常高的扫描速度，此时就只能采用电扫描。

电扫描时，天线不需要机械运动，扫描速度很高，波束控制灵活、快速。电扫描有多种实现方式，包括相位扫描、频率扫描、时间延迟法等，其中相位扫描是目前应用最广泛的一种电扫描方法。