论文总字数：20442字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景和研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文所做工作 3

2 仿真软件 Ansoft HFSS 的介绍 4

2.1 软件简介 4

2.2 设计步骤 4

3 3GHz和6GHz的Vivaldi天线设计 5

3.1 Vivaldi天线介绍 5

3.1.1 工作原理 5

3.1.2 天线的基本参数 6

3.2.1 3GHz天线建模和求解 7

3.2.2 仿真结果与分析 10

3.2.3 实测结果分析 11

3.3 6GHz Vivaldi天线 13

3.3.1 6GHz参数设置和分析设置 13

3.4 本章小结 17

4 一种双频微带天线仿真设计和分析 18

4.1 双频微带天线简单介绍 18

4.1.1 天线结构和简单介绍 18

4.1.2 基片材料和馈电方式的选择 18

4.1.3 贴片宽度W的选取 19

4.1.4 贴片L的确定 19

4.2 天线建模流程和关键参数 20

4.3 仿真结果与分析 24

5 论文总结 32

5.1 结论 32

5.2 论文中存在的问题 32

参考文献： 33

致谢 35

双波段微型厘米波气象雷达天线的研究

朱首正

，China, Nanjing University of Information Science amp; Technology

Abstract：This article uses the HFSS 15.0 electromagnetic simulation software to carry on the simulation design to the aerial, studies the characteristic and the main parameter characteristic of the dual frequency aerial. First, a 3GHz and 6GHz single-band microstrip Vivaldi antenna was designed and simulated. By analyzing the size parameters of the antenna, the effect of size change on the frequency of the antenna was studied. The performance of single-band microstrip Vivaldi antenna such as return loss and VSWR was studied. The antenna gain was analyzed. Then a slotted dual-frequency microstrip patch antenna was designed. The effect of the antenna gap on the antenna frequency characteristics was analyzed to find the best antenna size. The results show that the S11 parameters of the dual-frequency antenna are less than -20db at both frequency points, the VSWR is greater than 1 and less than 2, and the antenna gain is good. The antenna can meet the antenna requirements. The designed dual-band microstrip antenna can work well in S and C-band.

Key words：HFSS;Precipitation particles; dual-frequency centimeter wave radar; microstrip antenna

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

目前，我国使用S波段、C波段、X波段、K波段天气雷达对降水进行观测。其中，S波段和C波段被广泛用于降水的探测。大气中存在的各种粒子都会对电磁波产生后向散射，粒子的后向散射能力的大小还与粒子的组成成分、大小、状态等物理特征密不可分（张培昌等,2001）。除此之外，入射波的波长及有关特性也会对粒子的后向散射能力产生影响，不同波长的电磁波探测同一粒子时，其后向散射特性也不一样。不同波长的雷达在气象探测中可完成大气粒子不同尺寸的探测，具有不同的优势，在促进大气粒子的分类的探测和分析方面至关重要。目前，天气雷达探测是通过雷达天线发射和接收不同波长的电磁波(刘学观等，2006)，对于单波段雷达天线，只能发射单一波段，其对复杂降水粒子的探测和精细预报而言存在一定的局限性。面对精细化探测的需求，国内外正大力发展多波段气象雷达，其中研制双波段气象雷达成为一个重要的研究方向。双波段雷达的天线作为双波段雷达的一个重要组成部分，正成为国内外研究的一个热点，对气象雷达综合性能提升具有重要的研究价值。双频波段气象雷达天线能够兼具两个波段探测的优势。

本文将利用HFSS软件模拟设计覆盖S波段和C波段的微带天线，研究双频段雷达天线的特性及其在气象探测中的优势，为进一步研制双波段微型雷达对实验室内降水粒子的散射特性研究打下基础，使其在实际降水探测过程中发挥更大的优势。

1.2 国内外研究现状

随着双频气象雷达天线的发展，普遍使用的气象雷达以新一代S频段和C频段的单频段气象雷达居多。利用双波段气象雷达可以实现单频段气象雷达无法实现的灵敏度、分辨率的优势，研究发展双波段气象雷达越来越成为气象雷达发展方向之一。同时国内外气象学者针对双波段雷达以及双波段雷达天线的研究中开展了大量细致的研究。

双波段气象雷达应用研究中，张奡祺等人研究了卫星搭载的双频测雨雷达（DPR）的数据来研究分析北半球夏季降水差异，DPR包括Ka和Ku两个频段，由于工作频率不同，回波也会产生差异，通过对DPR双波段探测结果和各降水产品的差异进行了比较分析，结果显示，Ka HS数据显示的液态水含量及地表降水率与DPR间的偏差小，能够很好地探测雨顶的弱信号，但是观测6 mm/h以上的强降水就不适用。Ku的地表降水强度最强，它的雨顶高度、固态水含量与DPR间的偏差最小，适合于观测强降水内部的细致结构，Ka和Ku双波段测雨雷达在数据应用更加广泛（张奡祺等，2016）。国外双波段雷达应用上，Mr. Anurag Tirthgirikar等人在Mandhardevi地区利用X和C双波段双极化多普勒天气雷达对云微物理参数进行分析，X波段主要主要用于分析对流和层状降水格局的云降水特征，Ka波段则主要是对降水过程中运动力和作用方面进行分析观测，通过两个波段的雷达数据，对影响降水过程的云过程和降水进行研究，对云和降水形成分析具有很大优势（Mr. Anurag Tirthgirikar et al,2015）。

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