天线扫描为何形成不同的幅度时间曲线

JED 2025年4月 EW101专题深读 Dave Adamy 原文第48至49页

一副天线绕着转，远处的接收机便看到信号周期性增强，这个图景容易理解。但同样的转动，为什么有时出现交替的长短间隔，有时峰值逐圈降低，有时幅度几乎不再起伏？答案同时取决于波束走过的路径，以及接收机在这条路径旁的位置。

Dave Adamy在2025年4月JED的《Electronic Warfare Simulation (Part 10) — Threat Antenna Pattern Emulation》中，用四组图讨论了常见扫描方式。文章的观察对象是固定位置接收机所见的天线增益时间历程。把空间中的扫描轨迹与时间曲线联系起来，是理解这篇专栏的入口。

下面按原刊的几类运动关系展开，并解释示意图容易造成的误读。扫描特征来自原文，关于观察条件、术语和证据范围的进一步讨论属于编辑解读；这些曲线是原理示意，没有实际装备的测试刻度。

一 先固定观察位置再谈方向图

天线方向图描述辐射或接收特性随方向的变化。原刊没有把接收机放在天线上一起转，而是将它固定在外部某个位置。当波束轴线转向这个位置时，接收机所对应的天线增益随之变化；波束继续离开，接收的强弱又发生改变。时间曲线由此与空间指向联系起来。

这与直接观看一张静态方向图不同。静态图关注不同角度的分布，扫描图关注某个位置随时间经历的变化。即使天线自身的方向图没有改变，扫描路径改变以后，固定接收机看到的历程也可能改变。反过来，同一条扫描路径被不同位置的接收机观察，也未必得到相同曲线。

可以把主瓣理解为方向图中主要能量集中的部分。原图中较大的峰值，表示主瓣接近接收机方向时的增强；中间较低的结构提醒读者，主瓣离开之后并不必然完全没有接收信号。这幅图没有标注绝对电平，不能从线条高低直接读出增益分贝数或接收功率。

还有一个时间层次需要先分清。天线扫描使一段时间内的接收强弱变化，脉冲雷达本身则有脉冲的出现节奏。原文所说“主瓣之间的间隔”，关注的是波束再次经过观察方向的时间；它不等同于相邻发射脉冲之间的间隔。后文出现“幅度恒定”时，同样应理解为相应幅度包络不变，不能据此判定信号一定是连续波。

二 圆周与扇区改变再次相遇的时间

图1 圆周、扇区、螺旋线与光栅扫描。原刊第48页图1；三列依次为扫描类型、天线运动和接收强度随时间的示意，未给出量化坐标。

圆周扫描Circular Scan让天线绕方位转满一周。按照原文的理想化描述，主瓣每次回到接收机方向时形成一个较强峰值，相邻主瓣出现的时间间隔相等。这个规律包含稳定重复扫描的前提；它解释了图1第一行的大峰值为何等间隔排列。

扇区扫描Sector Scan则在有限角域内往返。波束经过接收机方向之后，需要走到一侧边界，再折返经过同一方向。若接收机偏向扇区的一侧，两端的往返路程便不相等，观察到的间隔通常一长一短交替出现。这里改变的是再次相遇的时刻，不需要假设雷达发射脉冲的重复节奏也跟着改变。

原刊特别指出一个例外：接收机恰好位于扫描扇区中心时，两种间隔可以相等。因此，等间隔并不能单独证明天线正在转满一周；居中的扇区往返扫描也能产生这一时间特征。这个例外的价值在于提醒我们，一个曲线特征与一种运动方式之间，未必存在唯一对应关系。

从编辑角度看，比较两类扫描时，观察位置应与扫描路径一起说明。若一个例子在扇区中心，另一个在边缘，直接把差异全部归因于天线类型，就会漏掉位置因素。图中的“固定位置”并非无关紧要的简化条件，它实际上规定了比较的参照。

三 螺旋线与光栅把仰角变化带进来

Helical Scan在原刊中指方位覆盖360度、仰角逐圈变化的扫描，本文称为螺旋线扫描。它仍然周期性经过同一方位，因而在作者给定的情形下保留近似恒定的主瓣间隔；但是仰角离接收机所在方向越来越远时，主瓣峰值会逐渐减小。时间间隔相近与幅度相近，在这里成为两个可以分开的特征。

图1第三行画出了高低不同的峰值。原文的措辞是“随着仰角离开接收机所在仰角，幅度降低”，并非宣称整个扫描周期内必然一直下降。阅读示意图时，需要保留“离开”的方向条件。当天线向观察方向接近与从观察方向远离时，看到的趋势不能不加区分地写成同一种变化。

光栅扫描Raster Scan则用多条平行扫描线覆盖一个角域。每条扫描线的横向运动类似扇区扫描，但不同扫描线相对接收机方向的偏离程度不同。原刊因此同时讨论时间间隔与峰值：经过接收机所在方向附近的扫描线，能产生较强的主瓣截获；偏离该方向的其他扫描线，对应峰值会降低。

“经过接收机位置”在这里是角度关系的简称，并不是天线真的移动到接收机身边。理解成扫描轨迹经过接收机所在方向，可以避免将空间距离与指向角混在一起。也正因为如此，光栅图不能被读成一条单纯的距离衰减曲线。

这两类扫描共同说明，一组等间隔峰值未必具有相等高度，一组高低变化的峰值也未必来自发射功率变化。在原文的设定中，幅度差异可以仅由天线指向相对接收机方向的变化产生；若要讨论真实记录，还需要另外交代其他影响因素。

四 圆锥扫描的起伏取决于偏离程度

圆锥扫描Conical Scan中，波束围绕一条轴线转动。对固定接收机而言，波束有时更靠近自己的方向，有时偏离得更多，于是原刊用近似正弦的幅度变化表示这种关系。最接近接收机方向时较强，偏离最远时较弱，起伏与几何关系相联系。

接收机越靠近扫描锥的中心方向，波束一圈内相对它的偏离变化就越小，所见幅度起伏也随之减小。理想情况下，接收机位于中心，波束在整圈中始终与该方向保持相同偏离角，幅度不再随这一圈扫描起伏。起伏减小不等于收到的信号趋于零，也不等于天线停止扫描；变化的是接收机看到的调制程度。

这里的“正弦”描述的是幅度随扫描变化的外形。原刊图2用一串高低变化的脉冲表达这一点，图中并没有画出射频载波的每次振荡。把这个缓慢变化的轮廓当成射频本身，就会把扫描时间尺度与信号振荡时间尺度混为一谈。

Spiral Scan与前面Helical Scan也应分开。原刊的Spiral是在圆锥扫描基础上，让扫描锥角逐圈增大或减小，本文称为平面螺旋扫描；Helical则是在完整方位旋转中逐圈改变仰角。两者中文都容易带上“螺旋”二字，但扫描路径所表达的几何关系不同，不能仅凭译名合并。

按照原文，当平面螺旋路径逐渐离开接收机方向，幅度会降低，但仍大体保留正弦式起伏。需要注意原刊第48页图2的文字不一致：图内一处写Circular Scan，而相邻正文讨论Conical Scan；图注后半段用了helical，正文对应段却是Spiral Scan。本文按正文及图示关系分别解释，保留这些差异，不将图中错配名称当作新的分类。

五 Palmer扫描叠加局部转动与中心移动

图2 Palmer、Palmer光栅、波瓣切换与仅接收端波瓣切换。对应原刊第49页图3；最后一行的恒定电平指外部接收机所见发射信号的幅度。

Palmer扫描将局部圆锥扫描沿一条直线移动。原刊正文开头用circular描述局部转动，原刊图3的图注则明确称为移动的conical scan；结合后文反复讨论的扫描锥，理解为圆锥扫描中心移动更能保持前后概念一致。图2第一行展示的，正是这种局部转动叠加整体移动的关系。

如果固定接收机恰好处于某一圈的中心方向，这一圈内就可能出现近似恒定的幅度；若接近中心而未完全居中，则得到起伏较小的曲线。随着扫描锥继续移动，接收机不再位于相同的相对位置，曲线形状与整体电平也随之改变。作者在原图中标出的低起伏周期，是特定几何位置的例子，不是所有Palmer扫描都在同一周期出现的固定规律。

这类描述中，“起伏大小”与“信号整体强弱”尤其容易混淆。波峰与波谷之间的差异扩大，和整个信号的电平抬高，不是同一个变化。原刊说明扫描锥离开时，曲线可以恢复更明显的正弦起伏，而整体接收幅度仍在减小；用单一的“幅度变大”概括，会丢掉这个区别。

Palmer光栅扫描把扫描锥中心的直线运动进一步安排在光栅路径上。接近接收机所在方向的那条扫描线，呈现类似Palmer的历程；其他扫描线离该方向更远时，原文描述的接收曲线趋向较弱的近似正弦起伏。复杂曲线因此仍有可解释的运动来源，不必一看到不规则外形就把它归为噪声。

六 波瓣切换要分清发射端与接收端

波瓣切换Lobe Switching让指向在几个离散角度之间切换。原刊例子使用四个方向，在图上围成方形；四个是这个例子的安排，并不是仅凭图示就能对所有波瓣切换系统作出的数量规定。不同指向与外部接收机方向之间的夹角不同，于是它看到几个不同的幅度台阶。

原图紧接着给出“仅接收端波瓣切换”。这里至少有两个容易混淆的接收概念：一个是雷达自身的接收天线，另一个是文章用来观察发射信号的外部接收机。前者为了获得跟踪信息而改变接收波瓣，并不必然改变后者所见的发射方向图。

在作者给定的情形中，发射天线始终指向被跟踪目标所在方向，而外部接收机就处于这一位置。即使雷达的接收天线正在切换波瓣，外部接收机仍看到恒定的发射信号幅度。因此，图2最后两行的差别来自发射指向是否切换，而不能简化为“系统内部有没有任何天线在动”。

恒定的幅度包络同样不能用来证明系统没有内部变化。它只说明特定观察通道没有显现相应变化。这个例子把本文最重要的观察边界具体化了：谈“看到什么”之前，必须先说清是谁在接收、接收的是哪一路信号，以及哪个方向图发生了变化。

七 相控阵的灵活性不等于随机性

图3 电子扫描与电子仰角配合机械方位扫描。对应原刊第49页图4；上行是作者选取的不规则指向序列示意，不是相控阵必然产生随机幅度的证明。

原刊接着讨论相控阵Phased Array。电子控制使波束指向能够快速改变，无须让整副天线按机械路径逐点转过中间角度。作者以不规则改变指向的情形说明：固定接收机不一定还能观察到机械匀速扫描那样简单重复的幅度历史。

但原文使用的randomly和“没有逻辑的幅度历史”需要结合例子理解。能够灵活改变指向，并不意味着每一副相控阵都必须随机选择方向；电子扫描也可以执行规定的重复序列。MathWorks官方扫描模式文档中的电子光栅示例，就明确描述了重复同一扫描序列。这里借助该资料核对的是一般概念，并不把软件示例当成具体雷达的验证结果。

因此，外部观察者暂时看不出重复规律，与系统本身没有控制规律，是不同判断。图3的不规则台阶展示了一种可能的指向历程，不能据此给全部相控阵指定相同的随机性质。原文所用“瞬时”也应理解为电子转向相对机械运动的概括，不应读作实际硬件具有严格为零的切换时间。

另一种情形同时使用机械方位扫描与电子仰角扫描。原文假设方位按圆周扫描、仰角任意变化，因此主瓣经过相同方位的间隔仍可能近似固定，而峰值高度却不再按简单顺序变化。这说明时间结构与幅度结构可以分别受不同运动控制，不宜把整个系统只贴成“机械”或“电子”一个标签。

作者还说明机械方位可以改为扇区往返，或者按指令停在固定方位。相应的时间规律也需要跟着这些条件重新理解。对一种组合方式作出的描述，不能不加说明地带到另一种组合中。

八 阅读曲线时保留它的条件

这篇专栏把很多扫描名称放在一起，学习时不必先把每张图当作一个需要背诵的独立图形。更有用的阅读顺序，是先确定外部接收机的位置，再看指向如何变化，最后观察相遇时刻和相对强弱。这样，扇区中心的例外、圆锥中心的低起伏，以及收发波瓣分离的情形，都能放在同一观察框架中解释。

同一条幅度曲线也可能包含多种变化来源。本文讨论的是原刊隔离出来的天线指向因素，不能仅凭几幅示意图就把真实测量中的所有起伏都归给扫描。图中没有完整测量条件、校准信息或统计样本，也没有给出可直接采用的扫描速度、波束宽度和电平数值。

下面的表格归纳几个容易混淆的词。它们不是新增的设备指标，而是阅读原图时应当分开的概念。

表1 原理图中需要区分的观察量

把时间曲线放回空间关系中

Adamy这篇文章的价值，在于把“天线正在做什么”与“某处接收机经历了什么”并排放在一起。圆周、扇区、螺旋、波瓣切换和电子扫描由此不再只是一串名词，而成为不同指向历程在固定观察位置上的表现。

进一步阅读时，值得追问的是某个变化究竟来自扫描路径、观察位置，还是发射与接收角色的不同。把这些条件讲清楚，曲线的解释才有依据；仅凭外形相似，就给一段记录指定唯一运动方式，仍会超出这组原理图所能证明的范围。

资料来源与说明

Dave Adamy，Electronic Warfare Simulation (Part 10) — Threat Antenna Pattern Emulation，JED，2025年4月，第48—49页。

MathWorks，Scanning Radar Mode Configuration，官方文档中的Electronic Raster Scan小节；仅用于核对电子扫描可按规定序列重复这一概念。