[发明专利]幅度比较单脉冲雷达系统

说明书

本发明提供了幅度比较单脉冲雷达系统。该系统包括用于耦合至相控阵天线的波束成形网络。波束成形网络被适配成改变相控阵天线中的天线单元之间的相位延迟，从而在通过空间的一角度范围上扫描单脉冲辐射图案。

发明领域

本发明涉及需要扫描波束的RADAR系统。更具体地，本发明涉及能产生幅度比较单脉冲辐射图案的这样的雷达系统。

发明背景

定位或跟踪辐射源或雷达目标的能力对于许多通信、雷达和成像应用(诸如举例而言，军事和商业应用)是有益的。用于确定目标位置的一种常规方法是通过机械扫描技术，该技术涉及用于跟踪目标的天线的物理移动。已知的另一种常规方法是单脉冲雷达系统，该系统使用单个脉冲来检测目标。该系统可通过幅度比较或相位比较来实现。

在常规的幅度单脉冲系统中，两个不同天线的主波束以发送模式指向空间中不同却紧密分开的方向，如图1中所解说的。在此种系统中，当以接收模式操作时，测量斜视天线图案的收到信号功率的和与差，如图2中所示。收到信号功率的和提供与目标相关联的距离信息，而收到信号功率的差与和的比率被用于产生误差电压，该误差电压与该目标与瞄准线的角偏差成正比。将领会，当目标直接位于瞄准线上时，误差信号为零，因为该目标回波幅度在这两个天线波束中相同。回波的衰落将在两个波束中发生，并且因此这不会影响比较，除非对于具有低信噪比常见误差。

尽管此类单脉冲雷达系统提供了目标位置的高准确度的估计，但它们具有很窄的视场。机械扫描仪的电子等效物是真延时与相控阵天线。这些天线提供了在较宽的视场上连续扫描的能力。然而，它们遭受具有固有窄带宽的缺点，以及高成本和大组件尺寸和W波段频率处的损失。

由于更便宜、更简单以及更紧凑的设计、和通常较少的组件数量，波束成形网络能向真延时与相控阵天线提供有吸引力的替换方案。已知的一种类型的波束成形网络是Rotman透镜波导。Rotman透镜通常被用在需要扫描波束的实现中。图3示出了常规Rotman透镜的几何结构。它包括多个输入或波束端口、透镜腔或平行板区域、以及多个输出或阵列端口。出于解说目的，图3中示出的透镜具有5个波束端口和4个阵列端口，但应领会，可使用任何数量的端口。各波束端口位于透镜的平行板区域的一个边缘处的焦弧，而各阵列端口位于相对边缘上。各阵列端口通过不等长的相位校正线连接至辐射单元或天线阵列。在操作期间，各透镜依次地在各波束端口之一处被激发。当每个波束端口被激发时，信号传播通过平行板区域，由阵列端口采样，并经由相位校正线传送至阵列单元。阵列单元随后将该信号辐射到自由空间中。通过在波束端口之间切换，所辐射的波束能通过透镜的视场被扫描。

从在天线单元激发下的波束端口的传播路径长度提供了跨阵列的渐进的线性时间延迟。由于结构性的干扰，毗邻阵列单元(分开距离N)之间的Δτ的延迟相对于中心轴产生扫描角为θ_s的辐射图案，该角度由下式来定义：

其中c是自由空间中的光速。透镜是真延时波束形成器：c和N的值是不变的，并且波束扫描角仅取决于时间延迟Δτ。提供Δτ独立于频率或者对频率仅具有弱依赖性，扫描角不随频率而变化，因为是相控阵的情形。该透镜以三个焦点F1、G和F2为特征，这三个焦点在被激发时形成峰值分别在-α°、0°和α°的辐射图案。

为了在常规Rotman透镜的波束之间达成高角分辨率，需要大量的波束端口。这可导致对在透镜的输入侧上高组件数的需要，以及由于小的端口宽度而导致的高溢出损失。

美国专利第3,979,754揭示了采用堆叠的平行板透镜的射频阵列天线。然而，该天线不适于在W波段频率范围中操作。这是由于以下事实：在该系统中，交换网络位于波束成形网络与相控阵天线之间，这导致切换网络的复杂性，这种复杂性可能需要过大的W波段操作。

因此，本发明的目标是提供克服以上提及的问题中的至少一个问题的用于跟踪辐射源的系统和方法。

发明内容