舰载大型相控阵天线的MOM仿真计算方法.pdf

第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023舰载大型相控阵天线的MOM仿真计算方法王志霞，董妍汝，芦同耀，杨森（山西工程科技职业大学，山西晋中0 30 6 19）摘要：舰载大型相控阵天线是一种重要的通信和雷达设备，其性能直接影响舰船的通信和侦察能力。为了准确地评估这种天线的性能，需要进行电磁仿真计算。本文首先对大型相控阵雷达的工作原理进行介绍，建立相控阵雷达的目标检测模型，针对大型相控阵天线的仿真计算，提出一种基于矩量法（MOM）的舰载大型相控阵天线的仿真计算方法。该方法利用MOM方法对天线的辐射特性进行计算，能够有效评估舰载大型相控阵天线的性能，为天线设计和优化提供重要的参考依据。关键词：相控阵雷达；矩量法MOM仿真；仿真；阵列天线中图分类号：U611.58A文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 18 2-0 4Research on MOM simulation calculation method of shipborne large phased array antenna(Shanxi Vocational University of Engineering Science and Technology,Jinzhong 030619,China)Abstract:Shipborne large phased array antenna is an important communication and radar equipment,its performancedirectly affects the ships communication and reconnaissance capabilities.In order to accurately evaluate the performance ofthis antenna,electromagnetic simulation calculation is needed.In this paper,the working principle of large-scale phased ar-ray radar is introduced,the target detection model of phased array radar is established,and a simulation calculation method ofshipborne large-scale phased array antenna based on the method of moment(MOM)is proposed.The MOM method is usedto calculate the radiation characteristics of the antenna.The results show that the method can effectively evaluate the per-formance of shipborne large phased array antennas,and provide an important reference for antenna design and optimization.Key words:phased array radar;MOM simulation by moment method;simulation;array antenna0引言舰载相控阵雷达是一种基于相控阵技术的雷达系统，在舰船上广泛应用。相对于传统的机械扫描雷达，舰载相控阵雷达具有以下优势：1）高速扫描相控阵雷达通过电子束的控制可以实现非常快速的扫描，可在短时间内进行大范围的全向覆盖。这使得相控阵雷达能够快速获取目标信息，实时跟踪目标的位置和动态变化。2）高分辨率相控阵雷达具有高分辨率的优点，可以提供更精确的目标位置和形状信息。相对于机械扫描雷达，相控阵雷达的波束可以更加集中，对目标进行更细致的收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 3基金项目：山西省科技厅资助项目（2 0 2 2 0 30 2 12 2 2 32 7）；山西省教育科学研究院资助项目（GH-220346）作者简介：王志霞（19 8 6-），女，硕士，讲师，研究方向为微带天线及无线通信。文献标识码：Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.034WANG Zhi-xia,DONG Yan-ru,LU Jiong-yao,YANG Sen观测和分析。3）多目标跟踪相控阵雷达可以同时跟踪多个目标，实现多目标的同时监测。本文的研究重点是舰载相控阵雷达优化设计与仿真，介绍了舰载相控阵雷达的工作原理，结合MOM仿真算法进行了舰载相控阵雷达天线强度仿真，对于优化舰载相控阵雷达的天线设计有重要意义。1舰载大型相控阵雷达系统及信号特性研究舰载相控阵雷达的天线由许多辐射单元排列而成，相控阵雷达的目标扫描方式包括以下3种：1）时延扫描时延扫描是通过改变每个阵元的发射或接收时延第45卷来实现目标扫描。在时延扫描中，每个阵元的发射或接收时延会按照一定的规律进行变化。相邻天线的时延量为：T=Lsin式中，c为电磁波传输速度，L为天线之间的距离，OB为天线发射角度。2）频率扫描频率扫描是通过改变每个阵元的发射或接收频率来实现目标扫描。频率扫描可以实现较高的目标分辨率，但需要较宽的频带宽度。3）相位扫描相位扫描是通过改变每个阵元的发射或接收相位来实现目标扫描。舰船相控阵雷达系统的功能原理如图1所示。相控阵天线回回口口口口 口8口38cm图1舰船相控阵雷达系统的功能原理图Fig.1 Functional schematic diagram of ship phasedarray radar syste可知，舰船相控阵雷达系统主要由相控阵天线和电子学系统构成。其中，电子学系统包括信号发生器、射频电路、信号处理器、中频接收机等。雷达发射信号表示为：si(t)=ai(t)exp(j2元fit+jnyt2),式中，为调频信号的斜率，f为信号发射频率，ai()为幅度调制函数，是个脉冲函数，表示如下：PLN-1艺t-iTrai(t):rect4元i=0式中，P为信号发射机的最大功率，L为功率损耗，T,脉冲间隔，Tp为脉冲的宽度。rect(t)为矩形函数，定义为：rect(t)=相控阵雷达的回波信号建模为：王志霞，等：舰载大型相控阵天线的MOM仿真计算方法B30MHz，幅值为7 0 0 9 0 0 dB。50电子学系统一5-105-4-3-2-1012345调频信号发生器信号射频电路口口回波扫描模式1,t E(0,1),O,else。183X(t)=S r(t)+N(t)+C(t)+J(t)。式中，S,(t)为目标回波信号，N(t)为设备噪声信号，C(t)为海杂波信号，J(t)为其他类干扰信号。距离相控阵雷达r处的目标回波信号表示为：S,(t,r)=0k(t)a;(t-T)expjiny(t-Tk)其中，k(t)为雷达信号散射分量2 ，Tk为目标回波延迟时间。舰船相控阵雷达系统的调频信号与幅频特性如图2所示。可以看出，相控阵雷达系统的信号频率集中在10 调频信号实部现场可编程门阵列扫描模式目标信息时钟管理器信号中频接收机处理器,0tN。幅频特性80060040020040-30-20-1001020频率/MHz图2 舰船相控阵雷达系统的调频信号与幅频特性Fig.2 Frequency modulation signal and amplitude-frequencycharacteristics of ship phased array radar system2舰载相控阵雷达天线的目标探测建模分析相控阵的阵列天线是由多个辐射单元组合形成的，以MxN阵列的相控阵雷达为例，进行相控阵雷达系统的目标探测建模。首先，建立相控阵雷达天线的目标探测坐标系如图3所示。可知，雷达的相控阵天线在xoy平面上，d,为相控阵天线在oy方向的单位间距，dx为相控阵天线在ox方向的单位间距，目标相对于坐标轴ox、o y 的角度分别为x、y，建立相控阵天线与目标的位置关系方程为：cos x=cosCo sin Po,cosay=sinCo。式中，o为方位角，4o为俯仰角。定义目标在坐标系的方向向量为：:184舰船科学技术本文基于MOM仿真算法对某型号舰载大型相控阵天线进行电磁学仿真，图4为该舰载相控阵雷达的M目板dyTX第45卷天线分布示意图。行A行B链路行CVdx0iax图3相控阵雷达天线的目标探测坐标系Fig.3Target detection coordinate system of phased arrayradar antennaF(Co,Po)=(cos Co sin o,sin Co),假设相控阵的单位天线坐标为：(idx jd.),i=1,.,j=1,.M。建立矩阵模型为：dyK=00(N-1)dx(M-1)dy J可得方向矢量如下式：jKKT2元0k(00,Po)=exp式中，入为信号的波长。3舰载大型相控阵天线的MOM仿真计算3.1相控阵雷达天线的MOM仿真算法原理相控阵雷达天线的MOM（M e th o d o fM o m e n ts）仿真算法是一种基于电磁场的数值计算方法，用于分析和设计天线的辐射和散射特性。基于Maxwell方程组和边界条件，通过将天线结构离散化为有限数量的电流元素，利用电流元素之间的相互作用来计算电磁场的分布3。MOM仿真算法可以用于分析和设计各种类型的相控阵雷达天线，包括线性阵列、平面阵列、圆形阵列等。它可以提供准确的电磁场分布和辐射散射特性，对于优化天线结构和性能具有重要的指导作用。行DX图4舰载相控阵雷达的天线分布示意图Fig.4Antenna distribution diagram of shipbornephased array radar可以看出，共有A/B/C/D四行2 4个天线单元。MOM仿真算法的关键步骤包括：1）离散化。将天线结构离散化为有限数量的电流元素。每个电流元素代表天线上的一个小电流段，可以是线性电流、面电流或体电流。2）电流分布计算。根据天线结构和辐射场的要求，确定电流元素的分布方式。可以根据天线的几何形0状、驱动方式和辐射方向等因素来确定电流元素的位dxdy01置、大小和相位。O3）边界条件施加。根据Maxwell方程组和边界条件，建立电流元素之间的相互作用关系。边界条件可以是电流元素之间的电流连续性、电压连续性或电场连续性等。4）矩阵方程建立。根据电流元素之间的相互作用关系，建立矩阵方程。矩阵方程描述了电流元素之间的耦合关系，可以通过求解矩阵方程得到电流元素的分布和电磁场的分布。5）求解矩阵方程。通过数值方法，如LU分解、迭代法或快速多极子算法等，求解矩阵方程。求解矩阵方程可以得到电流元素的分布和电磁场的分布。6）辐射和散射特性。根据电流元素的分布和电磁场的分布，计算天线的辐射和散射特性。可以计算天线的辐射图案、增益、波束宽度、散射截面等。MOM仿真算法的流程如图5所示。3.2船舶相控阵雷达天线的MOM仿真计算基于MOM仿真算法，对舰载大型相控阵天线的电磁学特性进行仿真计算。首先，定义离散化后的相控阵雷达天线的电流分布为：NT(h)=ZJ,(r)。n=1第45卷N图5MOM仿真算法流程图Fig.5Flow chart of MOM simulation algorithm式中，In为单个天线的电流，J为分布系数，m为天线上的离散点。定义天线的阻抗定义为：Zmm=Wn(n).Ln(rn)式中，,()为权值函数，Lh()为天线上任一离散点的电场强度5。建立矩阵方程为：Nn=1Zmm In=Vm。式中，Vml为相控阵天线的电压矩阵。相控阵仿真采用的单元个数为2 4单元，天线的工作频率为2 0 MHz，雷达的主瓣方向为Z向，几何中心为(1.2 5,0.36)。基于MOM仿真算法得到的相控阵天线磁场强度仿真结果如图6 所示。可以看出，在0 36 0 的辐射范围内，磁场强度最小的区域位于9 0 和2 7 0 附近，磁场强度最大的区域位于0 和18 0 附近。4结语本文针对舰载大型相控阵雷达的天线仿真技术进王志霞，等：舰载大型相控阵天线的MOM仿真计算方法MoM算法120-20确定几何边界-40-60离散化：最小面-80180元分割N面元划分完成？YI计算面元的辐射强度立矩阵方程建立与求解截面辐射计算完成？Y输出计算结果1859001150-60-40-20矩阵方程送代图6 基于MOM仿真算法的相控阵天线磁场强度仿真结果Fig.6 Simulation results of magnetic field intensity of phased ar-ray antenna based on MOM simulation algorithm行研究，建立相控阵雷达的信号模型，介绍了MOM仿真算法的原理与流程，结合MOM算法进行了舰载大型相控阵雷达天线的电磁学的仿真分析。参考文献：1】李雪莲.毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计1电讯技术,2 0 2 3,6 3(7):10 9 3-10 9 7.LI Xue-lian.Electromagnetic compatibility simulation analysisand design of millimeter wave phased array packagedantennaJ.Telecommunications Technology,2023,63(7):1093-1097.2】常义宽，陈威.尺寸链仿真技术在相控阵天线装配中的应用J.电子质量,2 0 2 2(4):17 3-17 6.CHANG Yi-kuan,CHEN 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