3. 天线¶
本章的目的不是让你成为天线领域的专家，而是提供对天线的一般理解，以及各种类型天线的作用和能力。另一个目的是让你了解天线参数之间的权衡。通过本章的讨论，你应该能够指定并选择天线，并能与在这一高度专业化领域工作一生的专业人员进行较为合理的交流。
3.1 天线参数与定义¶
天线以多种方式影响电子战系统与应用。在接收系统中，它们提供增益和方向性。在许多测向系统中，天线参数是确定来波方向的数据来源。在干扰系统中，它们提供增益和方向性。在威胁发射机（尤其是雷达）中，发射天线的增益方向图与扫描特性是识别威胁信号的重要方式之一。威胁发射机天线的扫描和极化特性还允许采用一些欺骗性对抗措施。
本章将介绍各种类型天线的参数与常见应用，提供将天线类型与其任务相匹配的指南，并给出一些天线参数权衡的简单公式。
3.1.1 天线¶
天线是任何将电子信号（例如电缆中的信号）转换为电磁波（即“以太波”中的信号）或反之的装置。根据其所处理信号的频率和运行参数，它们有各种各样的尺寸和设计。从功能上看，任何天线都可以发射或接收信号。然而，为高功率传输而设计的天线必须能够处理大量功率。常见的天线性能参数如表 3.1 所示。
表 3.1 常用天线性能参数
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| 增益（Gain） | 信号经过天线处理后强度的增加（通常以 dB 表示）。注意增益可以为正或负，各向同性天线的增益为 1，也表示为 \(0-\mathrm{dB}\) 增益。 |
| 频率覆盖范围（Frequency coverage） | 天线能够发射或接收信号并提供相应性能的频率范围。 |
| 带宽（Bandwidth） | 天线的频率范围，以频率为单位。通常以百分比带宽表示 [ \(100 \% \times\) (最高频率 - 最低频率) / 平均频率]。 |
| 极化（Polarization） | 发射或接收的 E 波和 H 波的取向。主要为垂直、水平或右/左旋圆极化，也可以是倾斜线极化（任意角度）或椭圆极化。 |
| 波束宽度（Beamwidth） | 天线的角覆盖范围，通常以度为单位（定义见下文）。 |
| 效率（Efficiency） | 实际发射或接收的信号功率与天线波束覆盖球面比例所对应理论功率的百分比。 |
3.1.2 天线波束¶
在整个电子战领域中，最重要（且经常被误解）的一个方面就是定义天线波束的各种参数。几个天线波束定义可以从图 3.1 描述，该图表示天线在某一平面内的幅度方向图。这可以是水平面方向图或垂直面方向图，也可以是包含天线的其他任何平面中的方向图。这种方向图是在消声室中测得的，该消声室的设计目的是防止信号从墙壁反射。被测天线在一个平面内旋转，同时接收来自固定测试天线的信号，并记录接收功率随天线相对测试天线的方向变化情况。
图 3.1 天线参数定义基于天线增益方向图的几何特性。
波束轴线（Boresight）：天线设计的指向方向。通常是最大增益的方向，其他角度参数通常是相对于波束轴线定义的。
主瓣（Main lobe）：天线的主要或最大增益波束。其形状以相对波束轴线的增益与角度关系定义。
波束宽度（Beamwidth）：波束的宽度（通常以角度表示）。它定义为增益相对于波束轴线降低某一数值的角度范围。如果没有其他说明，“波束宽度”通常指 3-dB 波束宽度。
3-dB 波束宽度：在一个平面内，天线增益降低到波束轴线增益一半的位置之间的双边角度（即 3-dB 增益降低）。注意所有波束宽度都是“双边”值。例如，对于 3-dB 波束宽度为 \(10^{\circ}\) 的天线，增益在距波束轴线 \(5^{\circ}\) 的位置降低 3 dB，因此两个 3-dB 点之间相隔 \(10^{\circ}\)。
“n dB 波束宽度”：波束宽度也可以针对任意增益降低水平来定义。图中还显示了 10-dB 波束宽度。
旁瓣（Side lobes）：天线除了主瓣之外还会存在其他波束，如图所示。后瓣（Back Lobe）位于主瓣的反方向，旁瓣则出现在其他角度。
第一旁瓣角（Angle to the first side lobe）：从主瓣波束轴线到第一个旁瓣最大增益方向的角度。这是单边值。（初次看到表格时，人们会困惑为什么第一旁瓣角小于主瓣宽度——后来才意识到波束宽度是双边值，而旁瓣角是单边值。）
第一零点角（Angle to the first null）：从波束轴线到主瓣与第一旁瓣之间的最小增益点的角度。这也是单边值。
旁瓣增益（Side-lobe gain）：通常以相对于主瓣轴线增益的值表示（一个很大的负 dB 值）。天线并不是为了特定的旁瓣水平而设计的，旁瓣被认为是不良的，因此制造商会保证其低于某个规定水平。然而，从电子战或侦察角度看，了解发射天线的旁瓣水平非常重要。电子战接收系统通常设计为接收“ \(0-\mathrm{dB}\) 旁瓣”——也就是说，旁瓣相对于主瓣增益降低了主瓣增益的量。例如，一个 \(40-\mathrm{dB}\) 增益天线的“0 dB”旁瓣，其发射功率比波束轴线正对接收天线时低 40 dB。
3.1.3 关于天线增益的更多内容¶
为了能够简单地将天线增益加到接收信号强度上，我们需要以 dBm 表示“以太波”中的信号强度——但这并不完全正确。如第 2 章所述，dBm 实际上是电路中毫瓦功率的对数表示。而发射信号的强度更准确地应表示为场强的微伏每米（\(\mu \mathrm{v} / \mathrm{m}\)），而带有内置天线的接收机灵敏度通常也以 \(\mu \mathrm{v} / \mathrm{m}\) 表示。相关资料中给出了 dBm 与 \(\mu \mathrm{v} / \mathrm{m}\) 之间的换算公式。
3.1.4 关于极化¶
从电子战角度看，极化最重要的影响是：如果天线极化与接收信号极化不匹配，则接收功率会降低。一般情况下（但并非总是如此），线极化天线在几何形状上与极化方向一致（例如，垂直极化天线通常为垂直放置）。圆极化天线通常是圆形或交叉结构，可以是右旋或左旋（RHC 或 LHC）。各种极化匹配的增益损失如图 3.2 所示。
一个重要的电子战极化技巧是：用圆极化天线接收未知方向的线极化信号。这样始终会损失 3 dB，但避免了交叉极化情况下可能出现的 25 dB 损失。当接收信号可能具有任意极化（即任意线极化或圆极化）时，通常会用 LHC 与 RHC 天线快速测量并选择较强的信号。对于电子战常见的宽频带天线，交叉极化损耗 25 dB 是常见值。而窄频带天线（如通信卫星链路中的天线）则可以设计到交叉极化隔离度大于 30 dB。雷达告警接收机中的小型圆极化天线，其交叉极化隔离度可能只有 10 dB。
图 3.2 交叉极化损耗范围从 0 dB 到约 25 dB。注意 \(3-\mathrm{dB}\) 损耗适用于任何线极化与圆极化的组合。
3.2 天线的类型¶
在电子战应用中使用了许多不同类型的天线。它们在角覆盖范围、提供的增益、极化方式以及物理尺寸和形状特征上都有所不同。选择最合适的天线类型高度依赖于具体应用，往往需要进行性能权衡，而这些权衡会对系统的其他设计参数产生重大影响。
3.2.1 选择合适任务的天线¶
为了满足特定电子战应用的需求，天线必须提供所需的角覆盖范围、极化方式和频率带宽。表 3.2 根据这些通用性能参数提供了天线选择指南。在表中，角覆盖范围分为“\(360^{\circ}\) 方位角”与“定向”两类。具有 \(360^{\circ}\) 方位覆盖的天线通常被称为“全向天线”，但这并不准确。真正的全向天线应提供一致的球面覆盖，而这类天线仅提供有限的俯仰角覆盖（有些限制较大）。尽管如此，它们对于大多数需要“任意方向”信号在任意时刻接收的应用来说已经足够，或者在需要信号向所有方向发射时也适用。定向天线在方位角和俯仰角上都提供有限覆盖。虽然它们必须对准目标发射机或接收机，但通常能提供比 \(360^{\circ}\) 类型更高的增益。定向天线的另一个优势是显著降低了接收不需要信号的水平，或者减少了对敌方接收机的有效辐射功率。
以下表格中还进一步按极化方式分类，最后按频率带宽分类（仅分为窄带或宽带）。在大多数电子战应用中，“宽带”意味着一个倍频程或更多（有时远超过一个倍频程）。
表 3.2 根据角覆盖范围、极化方式和带宽选择传输或接收天线类型
| 角覆盖范围 | 极化 | 带宽 | 天线类型 |
|---|---|---|---|
| \(360^{\circ}\) 方位 | 线极化 | 窄带 | 鞭状天线、偶极子、或环天线 |
| 宽带 | 双锥天线或“卐”形天线 | ||
| 圆极化 | 窄带 | 正常模螺旋天线 | |
| 宽带 | 林登布拉德天线或四臂圆锥螺旋天线 | ||
| 定向 | 线极化 | 窄带 | 八木天线、偶极子阵列、或带喇叭馈源的抛物面天线 |
| 宽带 | 对数周期天线、喇叭天线、或带对数周期馈源的抛物面天线 | ||
| 圆极化 | 窄带 | 轴模螺旋天线、带极化器的喇叭天线、或带交叉偶极子馈源的抛物面天线 | |
| 宽带 | 腔体背螺旋、圆锥螺旋、或带螺旋馈源的抛物面天线 |
3.2.2 各类天线的一般特性¶
图 3.3 便于总结了电子战应用中各种类型天线的参数。对于每种天线类型，左栏展示了天线物理特性的粗略示意图。中栏展示了该类型天线在俯仰角和方位角上的大致增益方向图。只有这些曲线的一般形状是有用的——某一具体天线的实际增益方向图将由其设计决定。右栏则总结了预期的典型规格。这里“典型”是一个重要的词，因为参数的可能范围要宽得多。例如，理论上任何类型的天线都可以用于任意频率范围。然而，物理尺寸、安装方式和适用场景的实际考虑，使得某种天线类型通常被用于其“典型”的频率范围。
图 3.3 各类天线具有特征性的增益方向图和典型规格；每类天线的具体天线的方向图与规格由其设计细节决定。
表中各类天线规格
按照以上表格，汇总各类天线的“典型规格”（极化、波束宽度、增益、带宽、工作频段）。数值为典型范围/示例，具体取决于尺寸与设计细节。
- 偶极子（Dipole） 极化：垂直；波束宽度：约 \(80^\circ \times 360^\circ\)；增益：≈ 2 dB；带宽：≈ 10% ；频段：低频至微波（依尺寸）。
- 鞭状（Whip） 极化：垂直；波束宽度：约 \(45^\circ \times 360^\circ\)；增益：0 dB；带宽：≈ 10% ；频段：HF–UHF。
- 环形（Loop） 极化：水平；波束宽度：约 \(80^\circ \times 360^\circ\)；增益：≈ −2 dB；带宽：≈ 10% ；频段：HF–UHF。
- 螺旋天线（正常模，Normal-Mode Helix） 极化：线极化（表内给为水平）；波束宽度：约 \(45^\circ \times 360^\circ\)；增益：≈ 0 dB；带宽：≈ 10% ；频段：HF–UHF。
- 螺旋天线（轴向模，Axial-Mode Helix） 极化：圆极化；波束宽度：约 \(50^\circ \times 50^\circ\)；增益：约 10 dB；带宽：≈ 70%；频段：UHF 至低微波。
- 双锥天线（Biconical） 极化：垂直极化（线极化）；波束宽度：\(20^\circ \times 100^\circ \times 360^\circ\)（仰角“8”字形，方位全向）；增益：0～4 dB，带宽：4∶1；频段：UHF 至毫米波。
- Lindenblad（林登布拉德） 极化：圆极化；波束宽度：约 \(80^\circ \times 360^\circ\)；增益：≈ −1 dB；带宽：≈ 2 : 1；频段：UHF–微波。
- “Swastika”（四臂类广谱阵/表内名） 极化：水平；波束宽度：约 \(80^\circ \times 360^\circ\)；增益：≈ −1 dB；带宽：≈ 2 : 1；频段：UHF–微波。
- Yagi（八木） 极化：水平；波束宽度：约 \(90^\circ \times 50^\circ\)；增益：≈ 5–15 dB；带宽：≈ 5% ；频段：VHF–UHF。
- 对数周期（Log-Periodic） 极化：垂直或水平；波束宽度：约 \(80^\circ \times 60^\circ\)；增益：≈ 6–8 dB；带宽：≈ 10 : 1；频段：HF–微波。
- 腔体背载螺旋（Cavity-Backed Spiral） 极化：圆极化（表内标注方式为“R&L 可得”）；波束宽度：约 \(60^\circ \times 60^\circ\)；增益：低端频率约 −15 dB，高端约 +3 dB；带宽：约 9 : 1；频段：低频至微波（依尺寸/腔体）。
- 圆锥螺旋（Conical Spiral） 极化：圆极化；波束宽度：约 \(60^\circ \times 60^\circ\)；增益：≈ 5–8 dB；带宽：≈ 4 : 1；频段：UHF–微波。
- 四臂圆锥螺旋（4-Arm Conical Spiral） 极化：圆极化；波束宽度：约 \(50^\circ \times 360^\circ\)（仰角“8”字、方位全向）；增益：≈ 0 dB；带宽：4∶1；频段：UHF 至微波。
- 号角（Horn） 极化：线极化（由喇叭/馈源决定）；波束宽度：常见 tens-of-degrees 量级（表中示例约 \(50^\circ \times 50^\circ\) / \(20^\circ \times 10^\circ\) 等）；增益：≈ 10 dB（型谱不同会更高）；带宽：可达 ~70% 或更高；频段：UHF–毫米波（依尺寸）。
- 带极化器的号角（Horn with Polarizer） 极化：圆极化；波束宽度：约 \(40^\circ \times 40^\circ\)；增益：≈ 4–10 dB；带宽：≈ 3 : 1；频段：微波。
- 抛物面（Parabolic） 极化：由馈源决定；波束宽度：窄波束（表中示例为亚度级）约 \(0.5^\circ \times 30^\circ\)；增益：≈ 10–55 dB（随口径/频率）；带宽：由馈源决定；频段：UHF–微波。
- 相控阵（Phased Array） 极化：由阵元/馈电方式决定；波束宽度：由阵面尺寸/扫描角决定（可达亚度级），约 \(0.5^\circ \times 30^\circ\)；增益：≈ 10–40 dB；带宽：由阵元决定；频段：VHF–微波。
3.3 抛物面天线的参数权衡¶
在电子战应用（及许多其他应用）中最灵活的天线之一是抛物面天线。抛物线的定义使其能够将来自焦点的射线反射为平行线。通过将一个发射天线（称为馈源）置于抛物面天线的焦点，我们可以使所有入射到天线反射面的信号功率（理论上）都被导向同一方向。理想的馈源天线会将其全部能量辐射到天线上。（实际上，约 \(90 \%\) 的能量被辐射到反射面上已被认为在大多数应用中足够理想。）实际的天线方向图会产生一个主瓣，并在角度上逐渐衰减，同时伴随后瓣和旁瓣。
天线反射面的尺寸、工作频率、效率、有效天线面积和增益之间存在一定关系。下面将以几种有用的形式给出这种关系。
3.3.1 增益与波束宽度¶
图 3.4 展示了效率为 \(55 \%\) 的抛物面天线的增益与波束宽度之间的关系。这一效率在商用天线中常见的，该类天线的工作带宽相对较窄（约 \(10 \%\)）。
图 3.4 对于任何类型天线，增益与波束宽度之间存在明确的权衡关系。本图展示了效率为 55% 的抛物面天线的增益与波束宽度的关系。
在电子战和侦察应用中经常使用的宽带天线（一个倍频程或更多），其效率将小于 \(55 \%\)。假设波束在方位角和俯仰角上是对称的。使用该图时，从天线波束宽度画一条线到曲线，再向左读出增益（以 dB 表示）。
3.3.2 有效天线面积¶
图 3.5 给出了工作频率、天线波束轴线增益与有效天线面积之间关系的标度图。图中曲线对应一副各向同性天线（\(0-\mathrm{dB}\) 增益），其有效面积为 \(1 \mathrm{~m}^{2}\)。可以看到，这大约发生在 85 MHz 时。该标度图的公式为：
其中 \(A\) 为以 dBsm 表示的面积（即相对于 \(1 \mathrm{~m}^{2}\) 的 dB 值）；\(G\) 为波束轴线增益（dB）；\(F\) 为工作频率（MHz）。
图 3.5 天线的有效面积是其增益与工作频率的函数。
3.3.3 天线增益作为口径与频率的函数¶
图 3.6 是一张标度图，可以用来根据天线口径和工作频率确定天线增益。注意，该图特定于 \(55 \%\) 效率的天线。图中曲线表明，一个直径为 \(0.5 \mathrm{~m}\)、效率为 \(55 \%\) 的天线在 10 GHz 时的增益约为 32 dB。该标度图假设天线表面为在工作频率波长的一小部分范围内精确成形的抛物面，否则会产生增益下降。其公式为：
其中 \(G\) 为天线增益（dB）；\(D\) 为反射面直径（米）；\(F\) 为工作频率（MHz）。
图 3.6 抛物面天线的增益是其口径、工作频率和天线效率的函数。本标度图对应 \(55 \%\) 效率。
一些天线制造商可以向你提供便携的计算尺，用来进行这种权衡（适用于任意效率），只需致电或写信联系销售部门即可。（这些通常是免费的广告赠品。）这些计算尺还包括其他有用信息（而且挺有趣）。
表 3.3 展示了天线效率对增益的修正。由于图 3.4 与图 3.6 假设效率为 \(55 \%\)，因此该表在修正其他效率下的增益时非常有用。
表 3.3 55% 效率天线的增益可根据不同效率使用本表修正
| 天线效率 | 增益修正（相对 55%） |
|---|---|
| 60% | 加 0.4 dB |
| 50% | 减 0.4 dB |
| 45% | 减 0.9 dB |
| 40% | 减 1.4 dB |
| 35% | 减 2 dB |
| 30% | 减 2.6 dB |
3.3.4 非对称天线的增益¶
上述讨论假设天线波束是对称的（即方位角与俯仰角相等）。效率为 \(55 \%\) 的抛物面天线在非对称方向图情况下的增益可由下式确定：
其中 \(\theta_{1}\) 与 \(\theta_{2}\) 为两个正交方向（如垂直与水平）的 \(3-\mathrm{dB}\) 波束宽度角。
自然地，将该值取 \(\log\) 再乘以 10 即可得到以 dB 表示的增益。
该公式为经验公式，但可以通过假设增益等效于 \(3-\mathrm{dB}\) 波束宽度内的能量集中程度而推导（较为接近）。因此，增益等效于球面表面积与球面上椭圆面积（长轴与短轴以球心角度表示，等于天线波束覆盖的两个角度）之比（记住 \(55 \%\) 效率因子）。
3.4 相控阵天线¶
由于许多极其实际的原因，相控阵天线在电子战领域变得越来越重要。在雷达中，相控阵可以瞬间从一个目标切换到另一个目标，提高获取和/或跟踪多个目标的效率。从电子战角度看，这使得通常无法通过接收信号强度随时间变化的分析来确定威胁雷达的天线参数。
当相控阵用于接收或干扰时，电子战系统获得了与威胁雷达相同的灵活性。例如，干扰机可以将干扰功率分配给多个威胁，和/或瞬间从一个目标切换到另一个目标。在某些应用中，甚至可以在同一阵列上同时接收与干扰。
当所谓“智能蒙皮”技术在飞机上实现时，相控阵将达到其对电子战的终极价值。这是一种方案，即飞机的大部分或全部外蒙皮都包含天线单元，可以组装成大型相控阵。
相控阵的另一个优点是它可以制作为与载机外形相符的共形阵列。任何处理过机械扫描天线气动问题的人都会赞赏相控阵能够贴合机体蒙皮的能力。当你想要延长雷达罩以便抛物面天线实现大角度扫描时，气动设计人员通常会非常不满。
如你所料，这些巨大的优势并非没有代价（包括性能和资金）。以下是一组关于相控阵天线性能限制和设计约束的一般指南。更多信息可参考其它电子战教材或 Merrill Skolnik 的《雷达系统导论》。
3.4.1 相控阵天线的工作原理¶
如图 3.7 所示，相控阵是一组天线，每个天线均连接一个移相器。当作为发射天线时，待发射的信号被分配到各个天线，且各天线的信号相位被调整，使得从某一选定方向观察时所有信号同相叠加——从而相干增强。由此推论，从其他角度观察时信号将不同相，因此叠加效果较差。由此形成天线波束。
当作为接收阵列时，移相器使得来自选定方向的信号在信号合成器中同相叠加。
图 3.7 相控阵天线由若干天线单元组成，每个单元连接一个独立控制的移相器。移相器设置为使来自选定角度的信号在合成器中同相叠加——反之，从所有单元发射的信号在选定角度观察时相干增强。
相控阵可以是线阵，即天线单元排成一行，通过移相器在某一平面（例如水平面）实现波束收缩与指向。在这种情况下，阵列的波束宽度仅由该平面内的移相器决定。另一方向（例如垂直方向）的波束宽度则由单个天线在该方向的波束宽度决定。
相控阵也可以是平面阵，即天线在垂直与水平方向上均成阵列，从而能够通过移相器同时控制垂直和水平方向的波束宽度与指向。
需要注意的是，相移会导致一个等效的距离延迟，其值为：
信号波长 × (相移 \(/ 360^{\circ}\))
为了在宽频带下工作，移相器可能实际上是所谓的“真时延”装置，它通过一个与信号频率无关的物理距离来延迟信号。
与任何其他类型天线一样，相控阵天线也具有波束宽度与增益的相互关系。
3.4.2 天线单元间距¶
通常情况下，构成相控阵的各个天线单元的间距应为最高工作频率下的半波长，如图 3.8 所示。这可以避免出现“栅瓣（grating lobes）”，因为栅瓣会在波束扫描时降低天线性能。
图 3.8 为避免栅瓣，天线单元间距不得大于最高频率下的半波长。
3.4.3 相控阵天线波束宽度¶
由偶极子单元构成的相控阵的波束宽度可由下式确定：
其中 \(N\) 为阵列中的单元数量，波束宽度以角度（度）表示。
例如，一个由 10 个单元构成的水平线阵的水平波束宽度为 \(10.2^{\circ}\)。这是阵列天线排列方向的垂直方向上的波束宽度。对于由高增益天线组成的阵列，波束宽度等于单元波束宽度除以 \(N\)。
如图 3.9 所示，当波束偏离阵列波束轴线角度进行扫描时，其波束宽度按余弦关系增加。以 \(10.2^{\circ}\) 波束为例，如果偏离波束轴线 \(45^{\circ}\) 扫描，其波束宽度将增加到 \(14.4^{\circ}\)。
图 3.9 阵列增益按离开波束轴线角度的余弦函数减小，波束宽度则按相同的比率增加。
3.4.4 相控阵天线增益¶
单元间距为半波长的相控阵的增益由下式给出：
其中 \(G\) 为阵列增益（当指向与天线线排列方向垂直的方向时）；\(N\) 为阵列中的单元数；\(G e\) 为单个单元的增益。
例如，如果每个单元的增益为 6 dB，总共有 10 个单元，则阵列的增益为 16 dB。再参考图 3.9，该增益会按偏离波束轴线角度的余弦函数减小——但这是线性增益因子，而不是 dB 形式。在 dB 形式下，增益减小因子为：
\(10 \log _{10}\)（偏离波束轴线角度的余弦值）
对于偏离波束轴线 \(45^{\circ}\) 的情况，增益减小为 0.707，即 1.5 dB。
3.4.5 波束扫描限制¶
单元间距为半波长的相控阵最多只能从波束轴线偏转约 \(45^{\circ}\)。如果单元间距更小（降低了波束轴线增益），则可以扫描到 \(60^{\circ}\)。