第四章课堂录音笔记
【微波传输线及天线系统概述】
🔴 录音重点原话：
“第四章，是教材以外的内容，是我们补充完了就是说整机系统的一个完善的一环，也就是说微波传输线和和这个天线，那么它的这个微波传系统，主要有这个微波波导、天线，这个电机、传动装置，还有这个方位标数字，等等组成。那么波导，是连接这个收发机和这个天线的。它是用来传播微波信号的 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：微波传输线与天线系统是雷达整机系统的重要闭环 。其中，波导作为低损耗传输线，负责在雷达收发机与天线之间高效传输高频微波（如 X、S 波段）能量 ；驱动电机与传动装置配合，用于克服外部风阻并驱动天线匀速旋转 ；方位同步发送机用于将天线的机械旋转角位置实时转化为电信号，以供显示系统进行方位同步扫描 。
【矩形波导结构及其主模传输】
🔴 录音重点原话：
“在这个矩形波导，宽边为 A 窄边为 B 它的壁厚、层厚为 D 的情况下，那么它传输的主模式是 T110模 ... 主模的话，M 取一，N 取零。为什么？它是一个有，一个没有。对吧？电场的分量为0，那就是0。磁场的分量不为0，那就是1，一个有，一个没有 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：TE 模（横电波）是指在电磁波传播方向上电场纵向分量为零（\(E_z = 0\)），而磁场纵向分量不为零（\(H_z \neq 0\)）的传播模式 。对于宽边为 \(a\)、窄边为 \(b\) 且满足 \(a > b\) 的矩形波导，截面尺寸的精度至关重要 。
[核心公式]：矩形波导中任意 \(\text{TE}_{mn}\) 模的电磁场通解取决于波型指数 \(m\) 和 \(n\)。其最低阶的截止频率对应主模（\(\text{TE}_{10}\) 模） ，此时：
[工程结论]：选择标准 \(\text{TE}_{10}\) 主模传输，能够确保波导内部结构简单、体积适中且传输损耗最小，有效防止高频微波在传输中的辐射干扰与信号失真 。
【波导关键特性：截止波长与尺寸约束】
🔴 录音重点原话：
“截止波长。什么叫截止波长？在波导中。可传输电磁波的最长波长 。也就是说，波导中传输的电磁波，它的波长是有限制的。那么最长的波长意味着最低的频率，对不对？... 我们来看，这个截止波长跟什么有关？分母里面的量，跟我传输的这个电磁波的模式有关，跟我波导的尺寸有关... 那么此时我们得到了，TE10模，它的截止波长。把这个1和0带进去，对应的是什么？2A。对应的是2A 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：截止波长 \(\lambda_c\) 是波导中能够传输电磁波的上限波长，对应高通滤波特性中的最低截止频率 \(f_c\) 。波长大于 \(\lambda_c\) 的电磁波在波导中呈现非传播的衰减场（高阶模截止）。
- [核心公式]：矩形波导中任意 \(\text{TE}_{mn}\) 模的截止波长通用公式为：
对于主模 \(\text{TE}_{10}\) （即 \(m=1, n=0\)），代入上式可得：
- [工程结论]：雷达设计中为保证单模（主模）传输并避免高阶模振荡，工作波长 \(\lambda\) 的选取必须满足严格的尺寸边界约束：
依据此约束，典型 3cm 雷达（X 波段）的波导宽边尺寸 \(a\) 约为 23mm ；10cm 雷达（S 波段）的宽边尺寸 \(a\) 约为 76mm 。
【波导波长动态拉伸机制】
🔴 录音重点原话：
“当把电磁波引入到波导中之后，它的波长就会怎么样？它的波长就会变长，换句话说，它的振动频率就会变慢。会被拉长，公式是什么样的？是这个样子... 一定这个数是一个真分数，它的平方也是一个纯小数，1减去一个纯小数一定是一个纯小数，开方还是一个纯小数，倒数一定是一个大于1的数。所以说这个公式也验证了，波导波长是大于真空中的波长的 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：波导波长 \(\lambda_g\) 是指在波导管内传输的电磁波，其沿传播方向（纵向）的电磁场结构变化一个周期所对应的几何波长 。由于电磁波在封闭波导壁内经历不断侧壁反射前行，其纵向相速度 \(v_p\) 大于光速 \(c\)，导致波导内的实际波长被拉伸，大于其在大气/真空中的几何波长 \(\lambda\) 。
- [核心公式]：波导波长 \(\lambda_g\) 与大气工作波长 \(\lambda\) 及截止波长 \(\lambda_c\) 之间的非线性关系方程式为：
[工程结论]：由于数学关系中分母 \(\sqrt{1 - (\frac{\lambda}{2a})^2} < 1\)，理论上恒有 \(\lambda_g > \lambda\) 。该知识点在期末考题及雷达工程计算大题中经常出现，通常结合给定的波段频率（\(f \implies \lambda = \frac{c}{f}\)）和波导尺寸 \(a\)，求解管内的实际相移参数与波导波长 。
【波导功率容量模型】
🔴 录音重点原话：
“功率容量，也就是说在波导中传输的电磁波，它的这个所能容纳的功率的最大值 ，等于这个公式。C ，A、B 是尺寸，对吧？C 是它的这个光速，又到率，这个是场强啊。然后，带进去具体的值，就得到这个公式 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：功率容量 \(P_{\max}\) 是指波导在不发生空气介质电离击穿的前提下，所能传输的最大微波脉冲功率上限 。它受限于管壁内部最大电场强度 \(E_{\max}\) 以及波导的横截面积 。
- [核心公式]：在标准空气状态下，矩形波导传输 \(\text{TE}_{10}\) 模的理论最大功率容量表达式为：
(其中 \(\eta\) 为波导内介质的固有阻抗)。
*
[工程结论]：波导的功率容量与截面尺寸 \(a \cdot b\) 成正比。在空气空心状态下，波导无介质损耗且可承受的击穿电压极高 ，因此在大功率脉冲雷达传输系统中具有绝对优势 。
【工程实用波导组件选型与机理】
🔴 录音重点原话：
“常规的波导截面是一个有一定厚度的长方形... 除了这种规整的波导以外，还有各种各样的所谓的多少电... 窄边弯波导，一个是宽边弯波导，它是实现什么？它是改变波走向连接 ... 软波导？接在收发机波导口。用于缓冲震动 。也就是说它的热胀冷缩导致它变形和断裂... 还有波导扼流接头以及波导圆过渡节，都是用于连接的 。”
🚀 核心考点提炼：
- [工程结论]：
宽边/窄边弯波导与扭波导：用于在空间有限的雷达舱内平滑改变微波的传输走向 。弯曲半径必须满足特定电磁边界，防止引入高驻波比和模式畸变。
软波导：通常连接在刚性固体收发机机壳与外部天线阵列的机械接口之间，起到机械解耦作用，专门用于缓冲震动并吸收热胀冷缩引发的结构应力，防止精密波导管壁变形或产生微裂纹断裂 。
波导扼流接头（Choke Joint）：由“扼流接头”和“平面接头”组合构成 。利用典型的 \(\frac{\lambda_g}{4}\) 短路阻抗变换原理，在物理接触面不完全紧密缝隙处实现高频微波的“电磁接触短路”，防止微波能量泄露 。
波导旋转过渡节（旋转关节）：专门负责固定机舱波导与高低/方位匀速机械旋转天线之间的微波能量跨界过渡连接 。
【微波传输线对比：波导 vs 同轴电缆】
🔴 录音重点原话：
“同轴电缆... 它是有一个内导体芯，外面包裹一层绝缘体，在绝缘体的外部，又有一层导体的网格，形成一个柱面，最外层，又有一层绝缘体 ... 我究竟是用这个波导？还是用同轴电缆？传输相同波长时，波导管的体积比同轴电缆大 。传输微波时，波导损耗较同轴电缆小 。而且它的功率容量会更大一些 ，也可以承受更高的击穿电压 。结构也比较简单 。总的来说波长短，高频，选用波导。波长长，低频，选用同轴电缆 。”
🚀 核心考点提炼：
- [专业概念]：
同轴电缆：由同轴线的内、外导体构成（内芯加外屏蔽网） ，支持从直流到微波宽频带的 TEM 模传输。然而，由于内部填充了低损耗绝缘介质材料，在高频微波段（如 X 波段）会产生明显的介质损耗与导体趋肤效应损耗 。
矩形波导：管内空心，无任何介质损耗 ；属于封闭式金属管，无任何外部辐射泄露损耗 。
- [工程结论]：
| 性能物理量 | 微波波导管 | 同轴电缆 |
| --- | --- | --- |
| 高频损耗 |
极小（内部空心无介质损耗）
| 较大（介质损耗随频率剧增） |
| 功率容量 |
极大（可承受更高击穿电压）
| 较小（绝缘介质易过热击穿） |
| 结构与体积 | 结构简单，但几何体积庞大
| 结构多层，体积柔性且细小
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| 选选型原则 |
短波长/高频段（如 3cm 雷达）
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长波长/低频段（如 10cm 雷达多用硬同轴）
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【天线辐射与电磁波场线闭合剥离机理】
🔴 录音重点原话：
“天线辐射的这个信号是怎么产生的？... 两个导线张开，辐射就会增强 ... 当导线的长度增大到波长的1/4时，就能形成较为明显的辐射效果... 正电荷、负电荷，它们的电场线是这样的。你让它两个交替完之后的话，它们的电场线闭合，然后被新产生的这个电场线，给挤出去，辐射出去... 接收时... 变化电荷的积累就意味着在天线中心产生一个变化的电压信号，这个电压信号就是天线作为接收机工作时的输出。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：天线的本质是一种非封闭的不连续阻抗变换结构。当两根传输线相互平行时，由于空间电磁场的高度局域对称性，外部辐射场极弱 ；当导线末端呈摆角张开，原边界约束被打破，电磁场开始向外空间扩散 。
- [物理机理]：在偶极子（Dipole）激发的驱动源作用下，正负电荷在导线上高频交替加速与减速。随着激励源电流换向，原本连接在正负电荷上的非闭合电场线由于电荷的突然相向运动而发生局部形变扭曲。当电荷运动越过中心点时，由于电磁波有限的传播速度（时滞效应），外部已经扩散的场线来不及返回，在空间末端相互连接，自发形成闭合的电场线回路。这些闭合场线随即被后续新产生的电场场源以辐射推力“挤压剥离”出去，脱离导体表面，形成向远方自由空间独立传播的电磁波。
- [核心公式]：要实现最大辐射效率的共振状态，天线单元的几何物理尺寸 \(L\) 必须与工作波长 \(\lambda\) 相匹配，最经典的平衡半波偶极子天线约束为：
【雷达天线关键技术指标与波束赋形】
🔴 录音重点原话：
“主瓣是什么？是辐射最强的地方 ... 因为有旁瓣的存在... 也会接收到对应位置的回波，从而造成误判。敌方也会在我这个天线旁瓣的位置，去实施相应的干扰 。所以我们希望旁瓣越低越好，对吧？对于我们的主办，我们希望波数宽度尽量窄一点好 ，窄一点能量更聚束，指向性更强 ... 椭圆... 水平波数宽度，比较窄，这个方向比较宽... 方位比较窄，为了保持方位的一个精度，以及图像分辨率的一个要求。上下，宽一点，为什么？船上的这个导航雷达，它随着船在产生了一个摇晃，你宽的话会丢失目标 。”
🚀 核心考点提炼：
- [专业概念]：
主瓣（Main Lobe）：天线辐射功率最集中的方向区域 。
旁瓣（Side Lobe）：主瓣两旁的杂散副波瓣 。旁瓣电平 \(\xi\) 偏高会引入外部杂波与敌方精准方向性的电子干扰，导致雷达图像产生误判 。
波束宽度（\(\theta_{0.5}\)）：方向图中主瓣最大功率下降到半功率点（\(-3\text{ dB}\)，对应场强下降为 \(0.707\)）的夹角 。
- [工程结论]：雷达天线波束采用非对称的椭圆扇形波束赋形：
水平（方位）波束宽度 \(\theta_{H0.5}\) 极窄（典型值 \(0.6^\circ \sim 1.3^\circ\)）：用于提供极高的方位标定精度与超高的图像方位分辨率，精确区分邻近目标 。
垂直（仰角）波束宽度 \(\theta_{V0.5}\) 较宽（典型值 \(15^\circ \sim 30^\circ\)）：专门用于在船舶、平台发生剧烈海浪颠簸与横摇晃动时，防止主瓣对准丢失目标，消除雷达近距离盲区 。
- [核心公式]：波束宽度与天线的横向几何孔径尺寸 \(L_A\) 及纵向高度 \(H\) 成反比关系：
【缝隙波导天线（Slot Antenna）物理架构与缺陷】
🔴 录音重点原话：
“既然四面封闭的波导，它是无信号辐射的 ，那么我要让它变成天线... 我就要对它进行开槽 。每条缝隙他的这个倾斜度以及相邻的间距，都会影响辐射的功率，包括它的坡度宽度 ... 紧接在吸波导后面的垂直极化滤波器 ... 是用来滤除这个我辐射出来电磁波... 只能辐射或者只保留水平极化 ... 缺点：存在过度特性，使天线口径长度受限，限制了它的距离，特别是最后一句，距离、方位分辨率的同时提高 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：缝隙波导天线利用在矩形波导窄边（或宽边）上开设的一系列非对称倾斜缝隙破坏管壁原有感应电流线，使管内传输的 \(\text{TE}_{10}\) 模电磁能量通过缝隙向外空间进行分布式受控辐射 。
- [内部架构]：
垂直极化滤波器：在喇叭罩内部加设铝格栅或高密度绕制镍铬钢丝 ，当感应截面等效为波导宽边 \(a\) 时 ，它能切断并滤除杂散的垂直极化分量，确保雷达纯净输出单极化的水平极化波 。
扇形喇叭：物理张角口径直接决定了垂直波束宽度 \(\theta_{V0.5}\) 的限制边界 。
终端吸收负载：放置于波导末端，用于完全吸收未辐射耗尽的残余行波能量，避免末端全反射破坏特定的切比雪夫/泰勒低旁瓣振幅分布设计 。
[核心公式]：天线的横向口径总长度为 \(L_A = n \cdot d\) 。雷达方位分辨率 \(\Delta \theta\) 与距离分辨率 \(\Delta R\) 的内在制约关系由天线口径长度 \(L_A\) 与发射微波脉宽 \(\tau\) 共同绑定 ：
- [工程结论]：
由于波导内部存在固有的行波行进过渡时滞，为了使各缝隙能够同时建立相干辐射，发射微波的脉冲宽度 \(\tau\) 必须严格大于电磁波在整段波导中所经历的总行进时延 ：
这意味着若想通过增大天线口径 \(L_A\) 来压缩波束以提高方位分辨率，就必须被迫增大发射脉宽 \(\tau\)，这反过来会严重牺牲雷达的测距分辨率 。这种物理层面的深层过渡特性限制了雷达距离与方位分辨率的“同时提高” 。
【电磁波极化工程决策：水平、垂直与圆极化】
🔴 录音重点原话：
“极化，就是在电磁波传播的过程中，电场向量振动的方向 ... 水平极化... 如果海况比较小，浪高小于0.25米，海面目标对水平计划反射较强 ... 另一方面，垂直极化干扰严重，那么此消彼长，选择水平 ... 反之，如果说此时海况变高了，浪高变高了（1-3米），那么水平极化的干扰就强于垂直了，那么此时选择垂直极化 。那么圆极化它的优点是什么？它能够有效的抑制或减弱，球状体圆对称的这样一个目标的干扰，雪花、雨点... 晴朗天气，海况较小，宜用水平极化。风浪比较高，宜用垂直计划。但是雨雪天气，该选用圆极化 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：极化（Polarization） 定义为瞬时空间中电磁波的电场强度向量 \(E\) 随时间行进的特征振动轨迹方向 。
- [工程决策模型]：
| 极化类型 | 物理电场特征 | 适用雷达工程场景与决策机理 |
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| 水平极化 | 电场向量在空间沿水平面振动
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低海况/平静海面（浪高 \(< 0.25\text{ m}\)）：平静海面对水平极化反射功率极强，且该状态下垂直极化的海浪杂波干扰远比水平极化严重，选用水平极化可获得最高的天线增益与目标回波信噪比 。
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| 垂直极化 | 电场向量在空间沿垂直面振动
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高海况/恶劣大风浪（浪高 \(1 \sim 3\text{ m}\)）：随着浪高增大，水平极化遭遇的海浪乱反射和动态散射杂波干扰剧烈飙升，强度远超垂直极化，此时被迫切换为垂直极化以抑制海浪杂波 。
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| 圆极化 | 电场向量沿传播轴线呈螺旋线状旋转
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暴雨、浓雾、雨雪天气：球状雨滴和对称雪花对圆极化波会产生典型的“旋向逆转”反射特性（如左旋圆极化反射变为右旋圆极化），天线接收端可通过旋向正交隔离，有效抑制并过滤高达几十分贝的雨雪干扰反射波，清晰探测雨雾中的隐藏目标 。
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【高能脉冲隔离：收发转换开关动作机理】
🔴 录音重点原话：
“发射时候要怎么样？接收时候要怎么样？... 主要是两类，一个是气体放电管式，一个是铁氧体环流器 ... 当雷达开机后，接入预留电压，那么气体产生预游离 。那么此时，大功率发生脉冲迅速使气体全部电离，火花间隙两间产生电弧，形成短路，发生能量被阻止进入接收机，被阻止进入 ... 发射结束的时候，恢复预游离状态... 来自天线的微波回波能量不足以引起这个隔离，那么二端口的这个回波，就能进入到接收机了 。那么我调整这个火花间隙，就可以使回波信号频率，和它这个回路的过频，形成谐振 。”
🚀 核心考点提炼：
[专业概念]：天线收发转换开关（ATR/TR Switch）是典型的时分复用高频微波隔离器件 。其核心使命是：在雷达强脉冲发射期间，实现高等级隔离，防止数千瓦的发射能量漏入并烧毁接收机前端脆弱的低压混频晶体 ；在微弱回波接收期间，呈现极低插损，确保天线捕捉到的微弱回波能量全部无损送入接收机，避免无谓浪费 。
- [物理动作机理]：
发射状态（强场激励）：TR 管（气体放电管）在开机维持的常态预游离背景下 ，一旦遭遇发射机产生的大功率微波脉冲，管内瞬时发生强烈的雪崩式气体全部电离 。火花隙两级之间瞬间拉出低阻抗的炽热电弧短路面 。该低阻短路面在波导接收支路接口处等效为电磁全反射墙，将强发射能量完全阻断并悉数逼迫送往天线辐射 ，漏入接收机的残余功率严格控制在 \(\le 100\text{ mW}\) 安全阈值内 。
接收状态（弱场谐振）：发射脉冲结束，气体在极短的恢复时间（\(\tau_{\text{rec}} \approx 0.1 \sim 8\ \mu\text{s}\)）内快速去电离并退回到微弱的预游离状态 。来自天线的微弱目标回波功率极低，根本无法触发跳火放电 。此时通过微调调谐螺丝，使两极间的等效电容与波导支路电感建立精准的并联电磁谐振 ，回路呈现无限大阻抗，允许微弱的回波畅通无阻地滑入接收机前端 。
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