脉冲定位关键技术研究

发布时间：2020-03-21 18:03

【摘要】：脉冲定位技术通过直接发射窄脉冲信号来进行无线定位,是最近的研究热点。该技术在短距离通信系统和雷达中应用广泛,比如在室内通信系统中可高速率传输信号,在雷达应用中可以显著提高雷达分辨率。脉冲是一种非时谐电磁波,因此在时域研究脉冲的传播、辐射和散射问题更有效,所以又把脉冲天线命名为时域天线。脉冲系统的频带宽度在吉赫级,冲激脉冲宽度在纳秒甚至是皮秒级,这对于天线提出了较高的要求。时域天线作为脉冲定位系统中的关键部件,是无线通信系统的枢纽,其性能直接关系到脉冲信号的传输效果。用于发射脉冲的时域天线形式多样,有立体结构的单锥天线或双锥天线,平面结构的蝴蝶结天线等。为了信号处理精准度更高,定位效果更好,从天线角度看,展宽天线的带宽,减小脉冲失真成为了研究的主线。因此,本文着重研究了用于定位的时域天线,分别从时域和频域的角度进行分析论证。主要内容如下:首先对脉冲定位系统的几个关键技术一一加以分析,主要有定位原理、脉冲信号波形、时域脉冲产生器等几个部分。接下来介绍了研究时域天线的基础理论,给出了分析方法。衡量时域天线性能的参数指标要结合其在定位方面应用需求来考虑,不仅要分析方向性、增益、阻抗带宽,同时要结合波形保真等时域特性。其次,仿真研究了几款超宽带天线在频域和时域的特性,筛选出可以作为脉冲定位系统的天线,进而提出了一款指数渐变槽天线,也称为维瓦尔第(Vivaldi)天线。本设计和传统的维瓦尔第天线不同,采用全金属材料,通过线切割技术精加工,同时馈电处不需要焊接,直接通过SMA射频转接头馈电。该天线结构简单、物理强度高、制作成本低。结果表明天线在宽频范围内实现驻波比VSWR2,方向性较好。从时域角度分析,该天线具有良好的波形保真性,可用作脉冲定位系统天线。之后,对该天线单元进行了优化,比较不同曲率和结构尺寸对天线阻抗带宽和时域特性的影响。然后将全金属维瓦尔第天线组成直线阵列天线,为了展宽天线带宽,提升低频特性,又提出了采用不均匀直线阵列的方式,结果表明这种形式的阵列天线在低频表现良好,有效地改善了带宽和时域特性。在微波暗室对天线单元进行测试,实物测试结果与仿真结果基本一致,证实了其良好的辐射性能。同时搭建时域特性测试系统,采用一种高斯脉冲信号用作维瓦尔第天线的激励,在接收端观察接收脉冲波形,对天线的波形保真性能进行分析,并分析其测距精度。最后,在基本不均匀阵列天线的基础上,本文设计了一种十字交叉结构的天线阵。该天线阵结构紧凑,具有双极化,覆盖范围广,可以很好地满足脉冲定位系统的需求。
【图文】：

通信信号

（a）常规无线通信信号（b）脉冲无线通信信号图1.1 通信信号对比时域天线是脉冲定位系统的核心组件，可以说超宽带特征是时域天线都共有的特性，而某些超宽带天线由于各式各样的原因并不能用作时域天线，这是因为时域天线对天线的辐射波形保真度要求较高，，辐射相位中心相对一致。Gibson 与 1979 年提出的 Vivaldi 天线带宽很宽、定向性好、剖面低、易加工[11]，本研究工作在传统 Vivaldi天线基础上做了改进，提出全金属形式的 Vivaldi 天线作为时域天线的基本单元。同时对单元进行组阵，分析不同阵列形式的时频域特性。时域天线的研究不仅会在脉冲定位系统中起到重要作用，同时也为阵列雷达提供更多选择。1.2 国内外研究历史和现状1.2.1脉冲定位技术近年来

时域波形,高斯脉冲,时域波形,双高

西安电子科技大学硕士学位论文10图2.1 高斯脉冲时域波形2）双高斯脉冲信号双高斯脉冲信号的时域表达式为1 21 01 2s (t ) exp( ( t t) ) 2 22 0 1 21 2exp( (t t) ), 0 （2-17）该脉冲信号通过恰当调整 α1和 α2的值，可以改变其频谱分布，上限频率取决于α1，下限频率由 α2控制。此脉冲仅包含三个时间瓣，辨识度很高，这一独特的优势在雷达探测中应用很多，它根据雷达接收的回波波形获得目标信息。分别取 α1=4 和α1=2，α2=1，时延 t0=4ns 时，得出双高斯脉冲的时域波形，如图 2.2。图2.2 双高斯脉冲时域波形3）高斯微分脉冲信号基本高斯脉冲信号见式（2-13）
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN78

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