相控阵雷达技术

相控阵雷达技术是一种先进的雷达技术，本书共分12章，包括概论、相控阵雷达的主要战术与技术指标分析、相控阵雷达工作方式设计与资源管理、相控阵雷达天线波束的控制、相控阵雷达天线与馈线系统的设计、相控阵雷达发射机系统、相控阵雷达接收系统、多波束形成技术、有源相控阵雷达技术、宽带相控阵雷达技术、新型高性能半导体器件在相控阵雷达技术中的应用、微波光子相控阵雷达技术。作者根据多年从事相控阵雷达研制工作的经验与学习心得，结合近年来技术最新进展，完成本书写作，奉献给从事相关研究、生产、使用和教学人员参考。

张光义(1935.9一)，中共党员，研究员级高级工程师。1962年2月毕业于莫斯科动力学院无线电技术系。同年回国，历任第14研究所总体室主任，副所长、总工程师，西安电子科技大学电子工程学院信号与信息处理学科(081002)教授、博士生导师。他是我国第一部电扫描三坐标雷达和第一部大型相控阵预警雷达的主要技术负责人之一，1995年后担任载人航天工程中所需的三部大型精密跟踪雷达和一部相控阵雷达的总设计师，1997年后担任机载雷达技术负责人，1993年获光华基金一等奖，1994年获电子部科技进步特等奖。1997年当选为中国工程院院士。

目 录

第1章 概论 001

1.1 对雷达的新需求与相控阵雷达技术的发展 002

1.1.1 对雷达观测任务的新需求 002

1.1.2 对雷达性能的一些新要求 007

1.2 相控阵天线原理 010

1.2.1 相控阵线形阵列天线 011

1.2.2 平面相控阵天线 018

1.3 相控阵雷达的特点与应用 023

1.3.1 相控阵天线的主要技术特点 023

1.3.2 相控阵雷达的主要工作特点 026

1.4 相控阵雷达技术的发展 029

1.4.1 相控阵雷达的初期发展 029

1.4.2 战术相控阵雷达的发展 031

1.4.3 主要相控阵雷达类型及其特点 032

参考文献 034

第2章 相控阵雷达主要战术与技术指标分析 035

2.1 相控阵雷达系统的主要战术指标 036

2.1.1 雷达观察空域 036

2.1.2 雷达测量参数 039

2.1.3 测量精度 041

2.1.4 雷达的分辨率 042

2.1.5 处理多批目标的能力 044

2.1.6 数据率 045

2.1.7 抗干扰能力和生存能力 046

2.1.8 使用性能与使用环境 046

2.2 相控阵雷达系统的主要技术指标 047

2.2.1 工作波段选择 047

2.2.2 相控阵天线方案 051

2.2.3 雷达发射机的形式 053

2.2.4 信号波形 053

2.2.5 测角方式 055

2.3 相控阵雷达作用距离 055

2.3.1 脉冲雷达作用距离的几种形式 056

2.3.2 相控阵雷达的搜索作用距离 057

2.3.3 相控阵雷达的跟踪作用距离 060

参考文献 062

第3章 相控阵雷达工作方式 063

3.1 相控阵雷达数据率概念 064

3.2 相控阵雷达搜索方式设计 065

3.2.1 搜索数据率 065

3.2.2 搜索方式 067

3.3 相控阵雷达的跟踪工作方式 070

3.3.1 从搜索到跟踪的过渡过程 071

3.3.2 跟踪数据率与目标跟踪状态的划分 072

3.3.3 跟踪加搜索与边扫描边跟踪工作方式 074

3.3.4 跟踪时间的计算 076

3.3.5 跟踪目标数目的计算 077

3.4 相控阵雷达的信号能量管理 079

3.4.1 信号能量管理的调节项目与调节措施 079

3.4.2 按目标远近及其RCS的大小进行信号能量管理 081

3.4.3 搜索和跟踪状态之间的信号能量分配 081

3.4.4 波束驻留数目n的选择与信号能量管理 082

参考文献 085

第4章 相控阵雷达天线波束控制 086

4.1 平面相控阵天线波束控制器的基本功能与波束控制数码计算 087

4.1.1 相控阵雷达波束控制系统的基本功能 087

4.1.2 相控阵天线波束指向与波束控制数码的对应关系 088

4.1.3 跟踪状态时波束控制数码的计算 091

4.2 一维相控阵天线的波束控制数码计算 094

4.2.1 一维相扫三坐标（3D）雷达的波束控制数码计算 094

4.2.2 一维相扫两坐标（2D）雷达的波束控制数码计算 095

4.2.3 一维相扫两坐标雷达天线波束的倾斜现象 096

4.3 波束控制系统的其他功能 098

4.3.1 天馈线相位误差的补偿 098

4.3.2 频率捷变后进行天线波束指向修正时波束控制修正码的计算 099

4.3.3 随机馈相的实现 100

4.3.4 天线近场测试时球面波的补偿 101

4.3.5 天线阵面的相位监测 102

4.3.6 相控阵天线波束形状变化的控制 103

4.4 波束控制系统设计中的一些技术问题 103

4.4.1 波束控制系统的组成 103

4.4.2 减少波束控制系统设备量的一些技术措施 104

4.5 波束控制系统的响应时间与天线波束的转换时间 107

4.5.1 搜索状态时的波束控制系统的响应时间与天线波束转换时间 107

4.5.2 跟踪状态时的波束控制系统响应时间与波束转换时间 108

4.5.3 降低波束系统响应时间的措施 109

4.6 波束控制电流的计算 110

4.6.1 计算波束控制电流的意义 110

4.6.2 相位参考点的选择对波束控制电流起伏的影响 111

4.7 天线单元不规则排列的相控阵天线的波束控制数码计算 112

4.7.1 天线单元随意排列的平面相控阵天线的波束控制数码计算 113

4.7.2 环形阵天线的波束控制数码计算 114

4.8 最小波束跃度 115

4.8.1 天线波束跃度与波束控制数码的计算位数 115

4.8.2 波束控制数码的最大计算位数的上限 116

4.8.3 最小波束跃度的计算 117

参考文献 118

第5章 相控阵雷达天线与馈线系统 120

5.1 相控阵天线方案的选择 121

5.1.1 天线方案选择的主要依据 121

5.1.2 实现低副瓣相控阵雷达天线的方法 123

5.1.3 有源相控阵天线或无源相控阵天线的选择 127

5.1.4 多波束数目与波束形成方式 128

5.1.5 多极化发射与接收的实现 129

5.1.6 大瞬时信号带宽对相控阵天线的影响 130

5.2 共形相控阵天线的选择 130

5.2.1 采用共形相控阵天线的主要原因及其作用 131

5.2.2 共形相控阵天线 132

5.2.3 共形相控阵天线的波束控制 134

5.2.4 实现共形相控阵天线的条件 135

5.3 相控阵天线的馈电方式 136

5.3.1 强制馈电方式 136

5.3.2 空间馈电方式 138

5.3.3 视频馈电方式 143

5.3.4 光纤馈电方式 144

5.4 并联馈电与串联馈电 144

5.4.1 串联馈电方式 145

5.4.2 频率扫描天线 148

5.5 平面相控阵天线馈电网络的划分及其作用 151

5.5.1 平面相控阵天线按行、列方式实现的馈电网络 151

5.5.2 平面相控阵天线按小面阵方式实现的馈电网络 153

5.5.3 密度加权平面相控阵天线馈电网络的划分方法 155

5.6 移相器的选择 156

5.6.1 实现移相器的基本原理与对移相器的主要要求 157

5.6.2 用矢量调制器方法实现的移相器 157

5.6.3 “块移相器”的原理与应用前景 159

5.6.4 串联移相器 162

参考文献 164

第6章 相控阵雷达发射机系统 166

6.1 对高功率发射信号的需求 167

6.2 高功率发射信号的实现方法 169

6.2.1 集中式大功率发射机 169

6.2.2 集中式大功率发射机系统的效率计算 171

6.2.3 发射机输出端驻波系数计算 172

6.3 分布式子天线阵发射机的应用 173

6.3.1 分布式子天线阵发射机 173

6.3.2 分布式子天线阵发射机幅相一致性要求与监测 175

6.3.3 分布式子天线阵发射机系统对相控阵发射天线副瓣电平的影响 178

6.3.4 对子天线阵发射机功率分配网络的要求 180

6.3.5 子天线阵发射机幅相一致性的监测 183

6.3.6 子天线阵发射机系统的波束控制方式 186

6.4 子天线阵发射机的选择 187

6.4.1 电真空子天线阵发射机 187

6.4.2 固态子天线阵发射机 189

6.4.3 微波功率组件子天线阵发射机 191

6.5 完全分布式发射功率放大系统 193

6.5.1 完全分布式发射机分系统的组成 194

6.5.2 有源相控阵发射系统的能量指标 196

参考文献 199

第7章 相控阵雷达接收系统 200

7.1 相控阵雷达接收系统的组成与特点 201

7.1.1 组合馈电接收系统 202

7.1.2 空间馈电接收系统 204

7.2 单脉冲测角接收机 206

7.2.1 幅度比较单脉冲测角 207

7.2.2 相位比较单脉冲测角 210

7.2.3 相位和差单脉冲测角 212

7.3 单脉冲测角接收波束的形成方法 214

7.3.1 和差接收波束的独立形成 215

7.3.2 在子天线阵级别上实现和差波束的独立形成 216

7.4 相控阵雷达接收系统噪声系数计算 218

7.4.1 无源相控阵接收通道噪声系数的计算 218

7.4.2 有源相控阵接收天线噪声系数的计算 224

7.5 相控阵雷达接收系统动态范围计算 225

7.5.1 相控阵雷达接收系统动态范围 226

7.5.2 相控阵雷达接收系统中各级放大器的动态范围 230

7.5.3 压缩动态范围措施 232

参考文献 234

第8章 多波束形成技术 236

8.1 多波束形成在相控阵雷达中的重要作用 237

8.1.1 提高数据率对形成多波束的需求 238

8.1.2 接收多波束对提高雷达抗干扰能力和生存能力的作用 239

8.2 相控阵发射天线多波束形成方法与应用 247

8.2.1 形成发射多波束的方法 248

8.2.2 按时间先后顺序生成多个发射波束 248

8.2.3 并行发射多波束的形成 250

8.2.4 部分孔径发射多波束 253

8.3 Blass多波束形成及其应用 254

8.3.1 Blass多波束形成原理 254

8.3.2 在中频实现的Blass多波束 255

8.4 Butler矩阵多波束及其应用 257

8.4.1 Butler矩阵多波束原理 257

8.4.2 Butler矩阵多波束方向图的计算与特性 260

8.4.3 Butler矩阵多波束的应用 263

8.5 相控阵接收天线的多波束形成方法 267

8.5.1 在高频低噪声放大器后形成多个接收波束的方法 268

8.5.2 在中频形成多个接收波束的方法 271

8.5.3 在视频与光频形成多个接收波束 273

8.6 数字多波束形成方法 275

8.6.1 数字接收多波束形成的原理 276

8.6.2 用接收多波束形成的数字配相方法 278

8.6.3 用FFT实现接收多波束的形成 279

8.6.4 采用数字波束形成时幅相误差的补偿 281

8.6.5 数字接收多波束形成技术的应用 282

8.6.6 发射天线多波束的数字形成方法 286

参考文献 294

第9章 有源相控阵雷达技术 296

9.1 有源相控阵雷达发展简况与特点 297

9.1.1 发展简况 297

9.1.2 有源相控阵雷达天线的特点 299

9.2 T/R组件的功能与要求 302

9.2.1 T/R组件的构成与主要功能 302

9.2.2 对T/R组件的主要要求 306

9.3 T/R组件的类型与应用 310

9.3.1 中频T/R组件及其应用 311

9.3.2 数字式T/R组件 314

9.3.3 数字式T/R组件的工作特点 316

9.3.4 数字式T/R组件的应用 320

9.4 有源相控阵雷达低副瓣发射天线的实现 323

9.4.1 有源相控阵雷达发射天线低副瓣性能的实现 323

9.4.2 采用混合馈电结构对降低天线副瓣电平和研制成本的意义 32