X波段雷达天线建模与仿真

论文总字数：17840字

目 录

摘要： 3

Abstract:. 4

1、前言 5

1.1、雷达天线的产生以及研究意义 5

1.2、国内外研究进展 6

1.3、本文主要研究内容 6

2、天线设计原理 6

2.1、天线辐射与接收 6

2.1.1相关参数介绍 7

2.2、旋转抛物面天线设计原理 7

2.2.1、抛物线的的定义 7

2.2.2、抛物面天线辐射特性 9

2.2.3、馈源设计原理 ..................................................10

2.2.4、反射面设计原理 11

2.3、CST微波工作室介绍 11

2.3.1、工作平面介绍 12

2.3.2、仿真流程介绍 12

3、天线建模与仿真 13

3.1、馈源尺寸计算 13

3.1.1、波导的尺寸 13

3.1.2、振子尺寸 13

3.2、馈源系统建模与仿真 13

3.2.1、对振子阵以及过渡波导的仿真及优化.................................13

3.3、抛物面天线整体建模仿真 19

3.4、馈源系统相位中心优化 21

4、偏馈抛物面天线简单分析 23

4.1、抛物面天线的偏焦特性及应用 23

5、总结与展望 29

参考文献....................................................................................................................................30

致谢...……………………………………………………………………………………………31

X波段雷达天线建模与仿真

李琪琦

摘要： 现如今雷达技术迅速发展，并广泛应用于通信、探测等领域，在这其中，气象观测由于使用了雷达技术，使得观测资料越加丰富、精细。在雷达系统中，类别各种各样，而雷达天线系统又承担了辐射和接收信号的重要任务。在本文中，讨论的的是X波段雷达天线，其工作波长在2.4厘米至3.75厘米之间，厘米波段的雷达在气象方面上的运用十分必要，可用于测量追踪降水等天气要素。但由于天线的实际结构较为复杂，无法进行简单的分析，因此在计算机上选用CST微波工作室仿真软件来完成对雷达天线的结构建模、分析计算等，这样就可以避免繁杂的实物实验，而CST微波工作室强大的功能以及友好的界面则可以帮助用户在天线的设计过程中对目标进行优化改进，以期准确地、省时地设计出符合本文要求的天线。

本文将从介绍课题研究目的着手，阐述旋转抛物面天线的设计原理，然后通过对各部件的建模，获得天线的整体结构，随后进行对各项参数的设置、优化，完成仿真。

关键词：X波段；馈源；抛物面天线；偏焦

Abstract

Now radar technology is rapidly developing, and widely used in communications, detection and other fields, in which the meteorological observation due to the use of radar technology, making the observation data more rich and fine. In the radar system, the various categories, and the radar antenna system has assumed the radiation and receive the signal of the important task. In this paper, the X-band radar antenna is discussed, with a working wavelength between 2.4 cm and 3.75 cm. The centimeter-band radar is necessary for meteorological applications and can be used to measure weather elements such as precipitation. But because of the actual structure of the antenna is too complex for a simple analysis, so we choose CST microwave studio simulation software to complete the radar antenna structure modeling, analysis and calculation. So that we can avoid complicated physical experiments, and CST Microwave studio provides us kinds of powerful features and a friendly interface which can help users in the design process of the antenna to optimize the target ,in order to accurately and time-saving design to get the antenna.

         This paper will start from the purpose of introducing the research object, elaborate the principle of the relevant radiation and the design principle of the rotating parabolic antenna. Then, through the modeling of the components, the whole structure of the antenna is obtained, and then the parameters are set, optimized and completed.

Keywords：X-band；Feeder; Parabolic antenna；Partial focus

1、前言

1.1、雷达天线的产生以及研究意义

1887-1891：麦克斯韦方程是由同名的物理学家所提出的，是现代电磁场理论的基础。麦克斯韦这位物理学家天才地得出了“电磁波在空间中以光速传播”这一结论。由此推断得出光波也是一种电磁波， 德国物理学家赫兹通过实验证明了这个理论。赫兹进行电磁场理论推断实验时，使用的其中的一个设备就叫做天线。在这之后的20世纪初，“雷达”一词出现在人们的视野之中。

自1888年以来，电磁理论一直在不断向前发展。后来，反射面天线也慢慢走入人们的视线，因其性能优越、易于制作使得它在雷达、卫星等领域内最大限度地发挥它的作用。本文关心的是X波段雷达天线，其工作波长在2.4厘米至3.75厘米之间，在气象方面上的运用十分广泛。通过电磁波辐射与接收，与大气中的气象要素的散射作用，可用于测量降水或者大云滴的物理特性，这种先进的手段与传统方式不同，可以对天气系统的结构及其演变进行监测，获得实时信息，有助于分析预报。在整个过程中，需要掌握探测目标的动态坐标，而用于测量目标位置的个坐标（方位与仰角）精准与否，很大程度上依赖雷达天线的性能好坏。

表1.1-1 天线的分类

而当我们在讨论天线时，在自由空间中的天线的电磁场分布情况是我们必须关注研究的。如果取出空间中的任意一点，那么我们都能够得到：这一点的电磁场分布情况是符合麦克斯韦方程和边界条件的。那么，如果求解满足边界条件的麦克斯韦方程，是否就可以得到可以我们想要的结果呢？理论上当然是可行的，然而在实际中，求解过程非常困难，所以我们可以通过对条件简化，做一些近似处理，从而得到近似结果，这是最常用的方法。

雷达天线的发展迅速，系统复杂，对天线系统进行设计研究时，不能够简单直观地对其进行分析处理，这时我们可以借用计算机，建立一个模型，来进行对天线系统的各项功能和性能的仿真。然后查看仿真结果，根据要求进行参数优化，来得到最优设计。

本文中的设计选择采用CST三维电磁场仿真软件，它可以使用户进行便捷精准的数值仿真优化。CST可以在整个电磁频段工作，通过有线积分法提供时域和频域分析来得到电场、磁场、远场方向图、表面电流和其他远场结果等，以此来处理天线在高频领域的电磁问题。

1.2、国内外研究进展

20世纪20年代：大功率真空管问世，产生了频率在1MHz以上的连续波信号，具体实现了高效率的谐振天线（如半波振子）。

1926：日本科研人员最先提出了八目—宇田天线，其具有更好效益以及方向性。这段时间内，天线理论研究工作发展了起来。

1936：微波磁控管和速调管（能产生1GHz以上信号）出现，推动了空心金属波导技术发展，喇叭天线出现，同时期，抛物反射面和透镜天线也得到了发展。

20世纪50年代后，计算机等技术高速发展，催生了很多数值计算方法，其中时域有限差分法、矩量法等方法获得设计者们的青睐，活跃在天线设计中。这些技术助力于天线理论技术发展，反射面天线性能得到大大提高。其中，相控阵天线等重要天线形式迅速发展应用。在国内也有很多前辈对反射面天线的研究做出了大量贡献，其中张兆成^[1]等人对偏置抛物面天线的设计仿真研究对本次设计提供了有益的指导。

1.3、本文主要研究内容

本次课题通过了解天线的辐射原理、旋转抛物面天线的工作原理、天线的各项性能参数（方向图、辐射强度、增益、输入阻抗等），使用CST微波工作室仿真软件来对天线模型的尺寸和结构进行计算研究。

天线本身由一个导电性能良好的金属旋转抛物面作反射面，从中心伸出一个长波导用于传输导波能量，在波导的顶端插入一个金属薄片，由于金属薄片是垂直于电场方向放置的，因此不会对场内结构产生影响。金属薄片上固定着一个振子型馈源，振子一共有四个，按一定的位置顺序排列起来。这个馈源通过对波导传输而来的导波能量进行感应将其转化为电磁波能量并辐射出来，接收到能量的金属旋转抛物面将信号进行反射，从而使天线得到方向性好的高增益能量。

本次设计使用CST微波工作室仿真软件来对天线模型的尺寸和结构进行计算研究，这其中要求熟练掌握CST建模、求解、优化等相关过程。并将在完成对正馈天线的仿真优化分析后，对于偏馈天线的偏焦特性及其应用作简单的分析。

2、天线设计原理

2.1、天线辐射与接收

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