HFSS的UWB雷达天线设计(2)

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1绪论

本章首先叙述了课题的研究背景与意义。介绍了超宽带雷达技术、超宽带天线以及所用的电磁仿真软件，最后概括了本文的主要工作和全文结构安排。

1.1课题研究背景和意义

超宽带技术具有高速率、低发射信号功率谱密度和低截获能力等优点，被广泛应用在雷达和通信等领域，一直是国内外研究的热点。随着电子技术发展，雷达研究重点趋向于目标成像、目标识别、距离分辨率改善等多应用技术系统上来，超宽带雷达就是这样一种全新体制雷达，它具有极高的目标识别能力、抗干扰能力、距离分辨率、反隐身能力、目标成像能力等，可应用在在心脏病学、呼吸、发声机能等方面，有着窄带雷达无法比拟的优点。

超宽带天线作为系统核心部件，用于高效地接收或辐射超宽带无线电波，是任何超宽带雷达或者通信系统不可或缺的部分，因此设计一款高性能的超宽带天线具有极大的意义。与传统窄带天线相比，超宽带天线具有以下特性：

（1）UWB天线具有良好非色散特性；

（2）UWB天线具有更宽的频带宽度；

（3）UWB天线工作频段内具有低驻波比；

（4）UWB天线工作频带内具有恒定方向性；

（5）UWB天线具有低尺寸高增益。

超宽带雷达天线设计涉及雷达原理、天线理论、电磁场与电磁波、微波技术和数字信号处理等多学科知识，天线要在很宽的频带内实现低驻波比并保证方向图的稳定性这对天线设计提出了更高的要求。槽线天线属行波天线，具有良好的宽带特性。本课题针对典型平面槽天线—Vivaldi超宽带天线进行了研究与仿真。

1.2 UWB天线发展历史及其在雷达中的作用

超宽带技术可实现高速率长距离定位，它起源于无线电的发明，赫兹作为射频与天线技术的先驱，采用抛物面反射器证明了电磁波存在，在赫兹的基础上，洛奇提出了“调谐”的概念，推出了双锥偶极子、球状偶极子、方板偶极子天线。20世纪年代，面口径天线迅速发展，出现了喇叭天线。世纪年代出现了频率无关天线和对数周期天线，由于频率无关天线具有强烈的色散倾向，因此很多超宽带应用场合并不适用，同时阵列天线也得到了发展。随后又出现了阿基米德螺旋天线、缝隙天线等，天线尺寸逐渐变小，使结构复杂的天线更加实用化。20世纪年代，出现了一些新型超宽带平面天线，包括UWB平板单极天线，UWB印刷单极天线及它们的变形。论文网

一般雷达要求天线实现以下主要功能：1）发射时辐射能量能够集中到目标方向； 2）接收时能够收集指定方向目标回波； 3）分辨不同目标并能测试目标的方向和距离[22]。绝大部分UWB雷达都采用一部收发公共天线，通过收发转换开关控制，发射天线工作将导波场转换为空间辐射场，接收天线收到目标的回波，将电磁能量转换为回导波场，由传输线传至接收机，与一般天线相比，满足高分辨率和高功率的要求。

1.3 UWB天线研究现状和发展趋势

1.4 Ansoft_HFSS13.0软件介绍

微波问题的分析方法一般可分为：1）解析法，解决几种简单、经典的微波结构；；2)数值方法，常用的有基于积分方程的矩量法（）、基于微分方程的有限元方法（）、有限积分法（）和时域有限差分法（）。有限元法基本思想是将待求解的场分解成许多小区域通过离散化和建立泛函，将边值问题变为求解矩阵方程。

Ansoft _HFSS13.0就是利用有限元方法的三维频域电磁场计算软件，它可以仿真任何无源结构的高频电磁场，并适用于天线设计，计算天线一些基本的参量，如：S参数、方向图、带宽、增益、绘制极化图等。为了更加精确地逼近带求解模型的几何结构和材料特性，HFSS软件待求解微波问题以四面体为单元离散化剖分，计算其单元的电场分量得到各微波物理量和特性参数。该软件广泛应用于雷达、半导体、微波集成电路及通信领域。 HFSS对微波工程问题可分为激励问题求解和本征值问题求解，除散射等入射波激励的问题，软件需先完成激励端口的二维求解，通过匹配技术对特定条件下的三维仿真问题进行求解，并利用自适应迭代求解达到最初设定的求解精度，流程如图1—1所示：