冲击脉冲雷达系统中超宽带天线的综述报告.doc

冲击脉冲雷达系统中超宽带天线的综述报告一、超宽带雷达 超宽带的概念最早出现在19691984年间Harmuth发表的文章中：Robbins于19721987年取得了超宽带技术方面的专利；1990年，美国国防部高级研究计划署对超宽带信号进行了定义：超宽带信号是指在-20dB功率处的绝对带宽（）大于1.5GHz的信号，或者是百分比带宽大于25%的信号，其中百分比带宽定义为：。其中，分别为信号在-20dB功率点处对应的上、下限频率。规定当1%时，称为窄带信号;当1% 25%时，便可称为超宽带信号。 超宽带（UWB）雷达的历史，最早可以追溯到上世纪六十年代由J.C.Cook提出的应用基带雷达对冰层的探测方案：向地下发射无载波的窄脉冲，由于脉冲宽度仅为几纳秒，所以脉冲具有很宽的频带，这样，既可以获得探测分辨率，又可以达到减小地下有耗介质吸收的效果，从而保证了对穿透深度的要求。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，具有一下特点：(l) 具有较强的穿透能力。宽频带是超宽带雷达的主要特征，其低频信号对墙壁等障碍物具有较强的穿透能力，可以穿透墙壁等障碍物实现对隐藏目标的探测。(2)较低的截获概率。由于超宽带雷达的工作频率范围很大，小于普通雷达信号的截获接收机覆盖范围，因此普通雷达接收机只能接收到雷达信号的一部分，而雷达的完整参数是无法获取得到的。所以普通的雷达接收机是不能有效的检测到超宽带雷达信号的，这一特征使得超宽带雷达更适用于军事应用。(3)抗干扰能力强。超宽带信号具有较大的带宽，这使得在对超宽带雷达进行干扰时，就必须将干扰信号的频带宽度加大。加大了频带宽度就会使该干扰信号的功率谱密度降低，因此就会减弱其干扰的性能，从而使得超宽带雷达的抗干扰能力增强。(4)良好的目标识别能力。短时性是雷达发射脉冲的主要特征，正因为具有的短时性便可以分离目标在不同区域的响应，从而突出目标特征，并借此识别出目标。(5)较高的距离分辨率。超宽带雷达的分辨率可以达到厘米量级，这是由于超宽带雷达具有较大的相对带宽，使得目标的主要散色点可以分辨出来，再对多个强散射点的目标回波信号进行积累，可以此改善超宽带雷达的信噪比。(6)超近程探测能力。超宽带雷达与常规的窄带雷达相比，可以进行超近程的目标探测，而常规的窄带雷达在探测超近程目标时则会存在盲区，这是因为超宽带雷达的脉冲宽度是极窄的，所以使得其最小探测距离和距离分辨率基本上是相等的。当然，在UWB雷达的数字信号处理方面，其采样率将随着带宽的增大而提高，因而对信号处理的能力要求更高;对UWB雷达天线和波形的产生也有特殊的要求。随着压缩传感等理论在超宽带雷达的信号处理方面的应用，降低了采样率，并能很好地重构图像，这使采样率的瓶颈的消除成为可能。这些优点使得超宽带雷达已在商用和军用雷达探测中得到广泛应用。雷达成像如逆合成孔径雷达( Inverse Synthetic Aperture Radar ,ISAR) 和 穿 墙 雷 达 ( Through the Wall Radar ,TWR)等需要有足够高的分辨率 ,采用超宽带技术如无载波窄脉冲雷达、 超宽带步进频率雷达或超宽带线性调频雷达等是较好的解决办法。二、冲击脉冲雷达冲击脉冲雷达，又名无载波雷达和视频脉冲雷达，是超宽带(UWB)雷达的一个分支和特例。由于受到超快速、大功率冲击产生器等器件的性能限制，该技术一直局限于近距离探测地下目标等民用领域，无法在远距离探测上得到应用降。八十年代初，随着飞行器隐身技术的重大突破，给雷达提出了反隐身的新课题，冲击脉冲雷达遂又获得了新的重视和发展阵。其理论探讨日趋成熟，技术难点不断克服，在未来电子对抗领域的应用价值也越来越引起各国军事界和技术界的重视。美国将其纳入了九十年代的关键技术研究计划并推向应用;俄罗斯等众多电子强国都在积极开展这方面的研究，采用理论、实验和仿真研究合为一体的形式，建立了专门的实验室和外场用UWB雷达测量系统;国内到目前为此的相关研究主要集中在冲击脉冲雷达的对地探测技术方面，在该领域包括电子科技大学、西安交通大学、电子部22所、电子部50所及航天部25所在内的很多单位，从基础理论研究到系统开发，都积累了较为丰富的经验。但是，新技术的研究和应用较薄弱，总体研发水平仍有待提高，地面隐藏目标的冲击脉冲雷达系统技术研究才刚刚起步。一个典型的冲击脉冲雷达系统是由激励源产生一个持续时间为纳秒级(ns，10-9秒)甚至皮秒级(ps，10-12秒)的电磁脉冲，然后由发射天线将电磁波信号发射出去。电磁波遇到物体或电磁特性不连续处会产生反射，反射波被接收天线所接收，通过采样所得信号经过数据处理，最后由显示单元显示。冲击脉冲雷达的组成结构框图如下图所示。图中，冲击脉冲雷达由四部分组成，包括发射组件、接收组件、中央控制器和数据处理与显示组件。发射组件由高压窄脉冲源和发射天线组成，产生并发射上升沿为ns级的脉冲。由接收天线接收到的高频信号在信号处理主机中经过放大、滤波后，利用脉冲取样技术，把重复接收的波形变成低速信号，并送入低频放大电路进行模拟信号处理。低频模拟电路由滤波器、时变增益放大和主放电路组成。由于电磁波反射信号较弱，采用时变增益放大可以有效地提高目标反射信号的幅度。数据采集和处理机主要由A/D数据采集卡、商用PC及系统数据采集处理软件等构成。而中央控制器则进行脉冲发射和接收的控制，以实现时间上的同步。以上四部分构成了典型冲击脉冲雷达系统的基本框架由其系统框图可见，研制冲击脉冲雷达的关键技术有：高速、高功率冲击脉冲信号的产生；超宽带、高增益的定向天线；超宽带、高灵敏度的接收机;信号处理器及相应的理论、仿真和评估系统。其中，尤其以雷达天线的设计为系统设计的重点和难点。冲击脉冲雷达具有极宽的频谱，且其频谱不以中心频率为中心对称，并含有十分丰富的高频分量和低频分量。典型的雷达波形有持续时间极短的冲击脉冲、单脉冲、短脉冲串、随机噪声、线性调频式或随机编码脉压脉冲串己经可引入脉位编码和波形编码的非正选波等等。其中以冲击脉冲雷达信号的带宽最宽，它的相对带宽(瞬时带宽与中心频率之比)可达到100%。正是由于冲击信号的上述之基本特性，使冲击脉冲雷达具备了非同一般的特殊功能：脉冲信号中含有十分丰富的低频分量，因此脉冲通过介质的衰减很低，从而能够穿透浓密的树林、冰雪、沙土而探测目标；脉冲信号所含有的高频分量，在进行的目标探测中使雷达具有很高的分辨率。因此，冲击脉冲雷达是一种能兼顾探测距离和分辨率的雷达系统。不仅如此，冲击脉冲所具有的超宽频谱，可以使具有许多离散反射面的复杂目标形成不同频率的“自然谐振”，从而可以经成像识别目标的外形特征;也因为信号的超宽频带、低频丰富和极窄的时间宽度，使隐身目标的吸波材料和外形设计几近失效。总之，由于冲击雷达的这些基本属性，使其具备条件去突破现有雷达无法同时满足的各种性能极限。三、应用于冲击脉冲雷达的超宽带天线冲击雷达的脉冲信号的发射和接受都靠天线来完成，因此脉冲天线的性能直接影响雷达的性能:只有当天线具有较高的增益时，雷达才能进行远距离探测：只有当天线对冲击脉冲信号具有较好的保形性和较小的波形拖尾，才能在接收信号波形上分辨出不同目标的反射信号，实现雷达目标探测的高分辨率。由于冲击脉冲雷达采用的具有大瞬时带宽的窄脉冲信号，因此它的发射和接收天线也和工作在频域的常规雷达天线有所不同，在天线设计中不仅要考虑天线的空间特性，还要考虑天线的时间特性。对发射天线的要求是能有效地尽可能无畸变地向空间发射脉冲信号;对于接收天线则要求能有效地无畸变地接收空间的脉冲信号并传输至接收机。不仅如此，发射天线还要有足够的功率容量，特别是要具有较大的瞬时功率容量;而接收天线则要求其灵敏度应尽可能高。对于在冲击脉冲状态下工作的发射天线，天线辐射场的波形和激励波形相比电子科技大学硕士学位论文不能产生大的失真，特别是不应有长的拖尾。通常，若能使天线上的电流为行波电流，则天线的辐射场波形与电流波形相差不大。而对于接收天线而言，根据电磁场的互易定理，也要求接收天线上的电流为行波电流，才能尽可能不失真的接收目标反射的回波信号。而对于馈源来说，要求天线的输入阻抗是与频率无关的纯电阻，才能使馈源影响小，天线的接入才不会使波形有大的变化。综合考虑，冲击脉冲雷达的收发天线要满足以下要求：1.在工作频带内阻抗一致，天线上的电流呈行波分布；2.在工作频带内天线的相位中心一致；3.在工作频带内天线的最大辐射方向一致；4.在工作频带内天线的幅频响应一致，相频响应线性。下面介绍几种常用的时域超宽带天线。1、 TEM喇叭天线如图， TEM喇叭天线是由一个双导体组成的TEM波传播系统构成。其张角、长度及宽度的适当选择可使天线的特性阻抗为渐变，实现很小的端口反射。天线的输入阻抗与馈源阻抗匹配，开口端特性阻抗取为自由空间的特性阻抗。天线的辐射可利用口径场辐射的计算方法求得。由于这种天线的结构形状与喇叭相似，故称TEM喇叭。一般来说，这种天线可由一非均匀的传播系统构成。它将能量由不辐射的传播系统祸合至天线周围的无限空间。非均匀的传播系统是特性阻抗变化的TEM传输线，控制特性阻抗的变化，使天线输入端的反射系数很小，满足规定的要求，即可使天线对脉冲源的影响很小。在天线末端采用自由空间的特性阻抗。可见，这种天线实质上相当于一个阻抗变换器，但为了有良好的辐射特性，终端应有大的口径张角。另外，为了能用作时域天线，这种传播系统应为TEM传播系统，否则将因色散而引起波形畸变。天线的优点在于增益高、功率容量大，但是缺点是尺寸大，馈电困难。2、双锥天线如图，锥天线具有非频变结构，因此具有超宽频带30。其几何形状如图1一4所示。其中l是锥体的长度，上锥体的半锥角为，下锥体的半锥角为。无限长双锥天线的特性阻抗为对于对称双锥天线，则有由此可见，双锥天线的特性阻抗仅仅决定于半锥角。，是个与离开馈电点的距离无关的常量，因此也是输入端的阻抗。即无限长双锥天线的输入阻抗为在半锥角较大时，双锥天线的特性阻抗是很低的。在实际工程中，只要双锥天线有足够的电长度，锥角足够大，它就具有优良的宽带特性。无限长双锥天线的工作带宽应为无限宽，但实际应用时，双锥天线的两臂总是有一定长度的。对于有限长双锥天线，其输入阻抗不仅与锥角有关，也随两臂的长度变化。因此，天线的两臂长度对带宽也有很大制约作用。一般地，锥角越大天线的输入阻抗在频带内变化越平稳，即带宽越宽。因此，在实际应用中，天线的锥角应取扩即可获得较宽的带宽。该天线的优点在于相位中心固定，频带宽，但缺点是效率低、增益低、功率容量低，并且它是三维结构，不易安装，尤其当波长较长时更甚。3、领结天线工程上常用双锥天线的变形形式领结天线(又称bowtie)。由于它是一种平面结构，因此具有重量轻、易安装等机械优点。常用的领结型天线的结构如图1一5所示，振子两臂做成等腰三角形或扇形等形状，天线振子为敷在薄的介质基板上的铜箔或其他导电材料。与圆锥天线一样，当张角较大时，领结天线仍然具有良好的宽频带特性。领结天线也可近似看成一种行波结构天线形式，电流从中央馈电点逐渐流向两边，且越来越小，到末端有少量电流发生反射。因此，为了再增大领结天线的频带宽度，可采用行波天线常用的加载的方式，即在天线的近末端离散地或连续地加上电阻或电抗元件，改善天线上的电流分布，使天线上的电流尽可能接近行波电流分布，从而进一步增大领结天线的频带宽度，减小天线接收电压脉冲拖尾。4、Vivaldi天线Vivaldi天线是由Gibson在1979年提出的一种天线形式，如图所示：Vivaldi天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线呈指数规律变化，宽度向外逐渐加大，形成喇叭口向外辐射或向内接收电磁波。它是一些具有非周期结构连续逐渐变化的天线，因此理论上，它有很宽的频带，这种天线是一种高增益，线极化，可以做成随频率变化具有恒定增益的天线。这种天线可以看成是Lewis在 1974年提出的线性渐变槽天线的一种改进形式。一般地，Vivaldi天线的馈电为微带线一槽线祸合馈电。因此，此类Vivaldi天线又可称为祸合型 Vivaldi天线，此天线由于受到微带线一槽线变换的限制，通常可在5:1的频带范围内实现VSWR2。Gazit在1988年提出一种新的对极型Vivaldi天线，如图所示：该结构对珑valdi天线原型的馈电结构进行了改进，将原微带线一槽线祸合馈电结构，改为现在的微带线一平行双线馈电结构。此种结构由于不受到原来微带线-槽线的转换限制，因而大大提高了天线带宽，通常可达到几十个倍频程。Vivaldi天线由于其结构简单，并具有超宽频带，带内增益平坦等优点，因此常用作宽带相控阵雷达的单元天线，和冲击脉冲雷达的收发天线。该天线的优点是它的平面结构、体积小、制作简单、时域带宽很宽，其缺点是功率容量低。除了上述天线外，宽带天线还有对数周期天线，加脊喇叭，螺旋天线及背腔式螺旋天线，偶极子加载天线等形式。其中螺旋天线频带宽、增益较大，但功率容量低、有极化损耗；加脊喇叭频带宽、功率容量大，但多模、损耗大。最近十几年人们针对这些传统超宽带天线做了不少研究改进，目的是克服各种传统超宽带天线的缺点，发挥其优点。我国国防科技大学袁乃昌等人研制出了集成鳍线为脊的新型圆锥及方锥TEM喇叭，在该喇叭中首次采用了共面波导到鳍线平衡超宽带过渡的共面集成电路形式，它们分别由鳍线，共面波导等集成电路构成馈电网络。馈电结构简单，其效率高，且有U场旧特性，把该种U硒吧馈电的鳍线作为圆锥TEM喇叭或方锥TEM喇叭的脊，所形成的新式TEM喇叭保持了原有T卫M喇叭的UWB特性，但增加了天线的隔离度，在研究单站瞬态目标散射时，可在示波器上清晰地看到回波，可用作UWBR的收发天线及目标的瞬态散射特性研究。这种新颖的超宽带TEM加脊喇叭天线及其超宽带馈电形式使得该天线不仅具有超宽带特性，且相互耦合小，可用于超短脉冲的接收及发射，实验结果显示了其高保真的宽带特性及高增益特性.利用研制的UWB天线建立起超宽带雷达实验系统，袁乃昌等人测量了简单目标特性及有涂层的简单目标特性，证明了UWBR具有较强的反隐身性能。我国电子科技大学的龙小专等人提出了一种加载vivaldi天线新形式，有效地抑制了接收脉冲拖尾，很好地支撑了雷达的隐藏目标探测成像实验。虽然目前有针对很多天线形式的行波加载公式，但是对于Vivaldi天线，由于并没有严格的理论模型和等效电路，因此并没有该天线形式的行波加载公式。目前，使用较多的电阻加载方式是在天线的末端用一个或多个一定阻值的电阻与地相连。但这种方式对末端电流的吸收作用有限，因而对改善天线的行波电流分布作用有限。本文借鉴领结天线的离散电阻加载，将切角后的祸合型Vivaldi天线的辐射区域末端分段切断，并在中间加入一定阻值的电阻，以此来改善天线电流分布，吸收末端反射电流，达到较好的行波特性。该加载天线在HFSS中的天线模型如图： 模型中，黑色区域为金属铜箔，中间的白色条带设置为电阻，从左向右分别为R1，R2。上下为对称分布，对应的电阻值相等。通过HFSS仿真优化后，可得电阻值如下图这种加载vivaldi天线新形式满足了0.sns微分高斯脉冲的频带要求，在0.2一3GHz的频率带宽内，VSWR2。通过该天线的时域测试结果可见，该天线对0.5ns的脉冲波形保形很好，其拖尾电平幅度20%四