图解—相控阵雷达：波束扫描技术

相控阵采用的是电子方法实现波束无惯性扫描，因此也叫电子扫描阵列(ESA)，它的波束方向可控、扫描也灵活，并且增益也可以很高。


对于相控阵天线辐射的电磁场及其能量分布通常用归一化的天线方向图来描述，它反映了波束形状、天线增益、副瓣等特性。
波束的指向始终与等相位面垂直，而等相位面由阵元间的馈相关系确定，因此在各个阵元都是等幅馈电情况下，线性阵的波束方向图函数为sinc函数。可以通过阵因子来计算相控阵波束宽度，详细的公式推导在有关相控阵的书籍中都有，这里给出结果：通常，均匀口径照射情况下3dB波束宽度的k=0.886，若是4dB波束宽度的k=1；
天线口径越大，波束越窄
从上面的公式可以看出当天线口径(Nd)越大，也就是阵元数越多，阵元间距越大，波束越窄；直观的理解就是线阵越长，波束宽度就越窄，天线增益越大！

描角度越小，波束越窄
随着扫描角度的增大，波束宽度会变宽，扫描角正负60度时，其余弦值为1/2，相比于0度时增大了一倍；随着扫描角度的增加，不仅仅是波束宽度会恶化，天线增益也会恶化。通常一般不大于正负60度，这也是某些战舰或预警机上用三块天线来覆盖360度空域的原因。
波长越短，波束越窄
从公式还可以看出在天线口径不变的情况下，波长越长，波束宽度越大；例如：对于机载火控雷达，可用空间就那么大，因此更适合使用波长短的更高频段，以便获得更窄的波束。
动图仿真：
为了简化对波束扫描的动图仿真，幅度进行了归一化，指向0°时是0dB。仿真时设置：N=32，d=λ/2，波束指向θB从0~60°，再从60~0°，得到下面的动图：
从该动图可以看出：
1. 随着波束指向的增大，波束宽度变胖，当达到60°时，变胖了一倍。2. 随着波束指向的增大，增益也有降低。3. 没有进行降低旁瓣的加权，旁瓣较高。
波束宽度与扫描角θB的关系：
当扫描的最大角度为θmax时，为了不出现删瓣，阵元间距d和波长λ需要满足关系：也就是说当阵元间距小于半波长时，即使扫描到90°都不会出现删瓣。如果你想看看出现删瓣的情况，这里也有(设置d=0.7λ)。
仿真程序如下：

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