通信终端及雷达系统中的天线模型研究

通信终端及雷达系统中的天线模型研究

刘曦霞 1 刘恋 2

1 海军士官学校 安徽 蚌埠 233012 2 国网蚌埠供电公司 安徽 蚌埠 233012

摘要：通信终端雷达系统的天线扮演着重要的角色，天线系统承担着接收和发射电磁波的功能，天线模型的建立对于通信终端雷达系统性能产生较大的影响。传统的通信终端仿真技术的使用中，很少将天线放入雷达系统进行考虑。天线设计师要重视天线的方向性、效率指标，要保证天线和传输信道之间的配合，进而完善天线模型系统。本文对通信雷达系统天线模型及其原理进行了概述，对天线仿真技术进行了探讨。

关键词：通信终端；雷达系统；天线模型

引言：随着移动通信技术的升级换代，4G技术逐渐成熟，移动通信业务量高速增长，推动着新一代通信技术的更新换代。多维输出输入（Dimensiona lMIMO，3DMIMO）技术由传统的二维或三维发展为天线复杂阵列的Ｈ维空间，使信道更加自由，在垂直维度活动能力更强。建立雷达系统天线模型可以提高通信系统的频谱效率，这也是5G技术的关键点之一。通信技术的应用离不开天线信道传播的建模，研究其技术有助于提高通信的效率和质量。

1 通信雷达系统天线模型概述

雷达系统波束指向十分灵活，可以实现快速扫描，可以控制波束的数量和形状，通过相关技术的应用可以实现信息的识别、筛选、跟踪等等。雷达系统目标容量较大，同时目标跟踪能力极强，可以在较大的范围内跟踪监视多个目标。随着雷达理论和技术的发展，计算机技术在通信系统中的应用，目前应用较为广泛的是相控阵雷达，原来的系统规模较大，固定在地面，实现远程监控等功能，现阶段发展为小型、机动平台、多种量程的管理和控制。相控阵雷达在未来会应用更加广泛，其优势就是以天线为基础，研究天线建模与仿真有助于实现对相控阵雷达理论的丰富。

相控阵天线的建模和仿真是一项系统复杂的工程是，与其他类型的天线相比，相控阵雷达系统天线比较复杂，建模存在一定的困难，主要体现在相控阵雷达工作中天线波束会随着空间指向变化而变化，仿真过程中过一个时间间隔都要对天线波束进行二次计算（时间间隔可能会短到 100μs甚至10μs的量级）。相控阵雷达系统天线建模和仿真要满足精度和复杂度。

2 探地雷达工作原理及天线模型

2.1探地雷达工作原理

这里研究的探地雷是一种冲激探地雷达系统，源头产生一个时间为ns级(10-9 s)的电磁脉冲，运用天线发射能量。电磁波遇到介质会发生反射，接收天线接收反射波，通过对信号和数据的处理，最终由终端显示器显示出参数，探地雷达系统工作原理如图1所示。

图1 探地雷达系统工作原理

雷达系统脉冲波行程的时间计算公式为：

已知地下介质的波速v情况下，根据测到精确t值由公式计算出反射体的深度，x值是固定的，v可以用宽角方式测量，根据 v =c/εr近似算出，c代表光速，εr为地下介质相对介电常数值。

在实际系统工作中，电磁波经过地下不同的介质反射到地面，不同介质特性不同，电磁波的传播受介质的影响，尤其其路径和波形都会受介质电性质和几何形态变化的影响。技术人员可以通过回波信号的时延、形状及频谱特性估算出目标深度及性质。技术人员在对信号和数据进行处理上，可以使用数字图像的恢复与重建技术，对目标实现成像处理。脉冲探地雷达系统中的天线设计至关重要，要保证对瞬态超宽带信号的保真，使用行波天线是适合的冲激脉冲探地雷达系统，还可以加载领结天线。探地雷达系统要进行数据仿真实验，对雷达系统建模，采用时域有限差分算法是近些年广泛使用的探地雷达时域仿真工具。

FDTD仿真中要建立天线模型，采取实际的天线，要做好天线的排布，要处理好包含天线的网格精细剖分，保证精确建模的质量和效率。在建模过程中要使用大内存计算机，例如3.6 GB计算机内存对天线进行目标建模，计算耗时较长。其次，探地雷达一般使用移动天线进行扫描，要重新剖分包含天线单元的细网格，如果使用粗细网格，需要重新连接网格间，工作量较大。探地雷达实际上天线可以分为很多种类，不能通用某一种天线模型。天线上的电流对雷达系统也会带来影响，冲激探地雷达天线存在电流为行波。为模拟探地雷达的特点，要使用FDTD仿真技术加载行波天线模型，避免复杂建模，这样的模型具有明显的优势，天线移动扫描效果较好，可以将电流置于网格节点上，不用重新剖分和连接网格，这种天线模型使用效率较高。

2.2天线模型分析

通信终端及雷达系统运行中要保证型号的传输效果，要使用行波天线收发信号，进而刺激抑制天线开路终端产生电流反射，天线阻抗加载可以衰减较高的电流，实现系统稳定性的控制。阻抗加载的主要作用就是对传输的电流进行控制，从天线起点到终端的电流控制在合理的范围，最理想的状态就是电流幅度为0。行波电流时间上推迟，空间上幅度逐渐衰减。 例如对对沿x轴放置的理想加载行波天线，要科学的计算出电流，运用馈电点电流幅度，光速、天线单臂长、电流时间延迟、幅度衰减计算出电流。天线模型用于冲激探地雷达系统的加载行波天线，起到真实天线的辐射、接收电磁能量的作用。

3 相控阵天线仿真要点

雷达系统中的天线可以分为一般天线和相控阵天线，从相控阵雷达应用仿真的目的出发，为准确体现相控阵天线方向图特点，满足仿真要求，对相控阵天线方向图进行仿真，要求要准确反映不同的天线指向对应的波束宽度变化；要反映不同的天线指向对应的天线增益变化；要反映不同的天线指向对应的方向图旁瓣变化，这是对相控阵天线方向图进行仿真的科学要求。相控阵雷达天线指向偏离阵面法线方向时，天线口径尺寸在该垂直面投影面积发生变化，导致波束宽度和天线增益发生变化，在实际通信雷达系统运行时要注意对天线系统的控制，其模型建构对于雷达系统运行至关重要。

结语：对于通信终端及雷达系统运行而言，天线发挥着不可替代的作用，天线负责接收和发射信号，进而实现对目标的跟踪和监控，雷达系统性能仿真需要加载行波天线模型，对电流实现科学解析，进而完善雷达系统的设计。在实际天线模型设计和仿真使用过程中，可以采用行波天线模型的FDTD算法对目标成像考察，对多天线配置方案进行改进，进而提高通信系统运行的稳定性。

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