全美被超级雷达实时监控？浅析高性能“雷达天线仿真”

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导读：近日，古巴在胡卡尔地区建立了一座超级雷达，让五角大楼坐不住了。这座超级雷达高度达到了30米，占地更是有3000多平方米，性能相当优越。距离美军最近的军事基地距离不过200公里，只要雷达开机，数千公里内美军的所有举动都会被古巴尽收眼底，包括战机起飞、导弹发射等。

对于家门口的“不速之客”，五角大楼自然不能忍，已多次提出强烈**，称古巴这一行为严重威胁到了美国的领土安全和国家隐私，要求古巴政府尽快将其拆除，停止对美国的监视。但这些要求被古巴尽数拒绝，古巴政府称，这只是一座民用雷达，不会用于军事领域，希望美国习以为常。

一、认识雷达与天线系统设计

雷达，是英文 Radar 的音译，专指利用电磁波探测目标的电子设备。雷达系统通过天线可以发射电磁波，对目标进行照射并由天线接收其回波，由此获得目标至发射点的距离、距离变化率、方位、高度等信息。

雷达技术广泛应用于航空航天领域，如机载预警雷达、弹载导引雷达、测高雷达、搜索雷达、导航雷达、防撞雷达、测速雷达、敌我识别雷达等。由于要适应各种极端工况，全天候工作，以及小型化、多功能化、集成化、抗干扰、高可靠性等的发展要求，雷达的性能指标越来越高，给工程设计人员带来极大的挑战。

随着计算机技术的发展，工程设计越来越离不开 CAE 软件的设计仿真。对于雷达与天线系统的工程应用来说，更是如此。由于雷达系统的复杂性，涉及的工程设计与仿真覆盖了多个领域，如系统力学仿真与设计、天线系统设计与仿真、信号完整性分析、多物理场仿真与设计、电磁兼容分析与设计等。全面、完备的仿真设计，能够提高仿真置信度，实现可预测性设计，将设计风险前移，将所有设计通过数字化仿真进行验证，通过仿真改进设计，模拟系统的真实工作状况和故障状态等。

二、高性能雷达设计从天线入手

高性能雷达设计从天线入手，天线是传感器与环境的接口。理想情况下，这些天线系统必须将能量集中到传感器能够观测的锥形覆盖角上。LRR天线系统中，这些观测角必须非常窄，而且能够排除。从该角度之外到达天线的能量。

于MRR和SRR天线系统而言，其必须接受来自宽角度范围的能量，才能探测整个90度或更大扇面的行为者，从而在任何可能的情景中确保安全性。显然，天线必须确保高效辐射，即能量既不应被耗散到天线本身以及传感器封装材料中，同时也不应由于天线不匹配发射功率放大器而耗散。

高频建模与仿真能够为雷达传感器的研发带来巨大机遇。按照设计工艺的顺序而言，这些机遇包括：

1、虚拟地开展原型设计，并快速“调整”天线拓扑，无需实际制造

工程师可能无法立即分辨出传感器的最佳拓扑。通过虚拟方式快速测试与调整备选的天线拓扑，无需花费过多时间来构建和测试众多原型，即可获得最符合性能要求的备选设计方案。

2、快速轻松地测试天线替代方案，以了解其在各种结构与环境条件下的行为

根据天线系统的辐射方式，它可能会与传感器封装和外壳、安装支架、垫片或者天线单元附近的其它结构产生明显的相互作用。虚拟原型意味着能够根据传感器封装重新设计天线周围的结构，否则其有可能通过电磁耦合或邻近效应而影响天线响应。

3、快速自动优化单元与阵列设计

在确定传感器天线设计拓扑和封装之后，不同天线将进行合并，以形成多通道天线阵列，而天线设计可自动调整，从而满足众多性能标准要求。例如，可能会要求天线具有特定的辐射图波束宽度和最低仰角旁瓣，同时与发射功率放大器具有良好的电气匹配。

4、 最后只需构建一个用于测试的原型即可。

建模与仿真过程旨在节省用于设计、构建、测量和调试多个物理原型所花费的时间、材料与成本。基于建模和仿真的设计能将以前8~9个月的工作缩短到几天时间完成。在研发复合传感器以满足未来主动安全系统的性能要求时，工程师需要采用基于虚拟原型的快速设计。

三、Ansys雷达天线解决方案

Ansys工程仿真系列产品是拥有最全面的、最完善的仿真解决方案，可涵盖雷达电子系统、天馈系统、结构力学、气动力学等各方面的仿真分析，具备专业的AEDT电、热、力分析工具，以及多物理场仿真平台Workbench。

电磁仿真套件，主要包括天线设计工具 HFSS，电路、系统仿真工具 RF options，PCB 电磁兼容仿真和优化工具 SIwave，电子设备散热分析工具 Icepak、低频分析 MaxWell 等，可以解决雷达系统中所有电磁/射频设计仿真与分析。

结构仿真套件，主要包括传统的结构力学分析、复合材料力学分析、可靠性力学分析等，用于解决导引头设计中的各类结构支撑、减重、稳定性、可靠性，形变失效分析，结构热传导，多学科仿真中的力学部分等。

流体仿真套件，主要分析雷达罩的外流场、空气动力学、热流体力学，设计雷达罩的外形，分析摩擦生热、外部压力场的影响等。结构多学科仿真，可进行各类与流体力学相关的分析等，如相控阵天线冷板设计。

具体仿真场景如下：

四、电磁工程师眼中的雷达天线仿真

作为电磁工程师，雷达包含哪些组成部分，我们关注雷达哪些指标，在雷达设计过程中，我们可以做那些事情？以下是笔者关于雷达天线仿真的个人理解。如有不当，欢迎批评指正。

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参考文章：

【1】古巴效仿美国建造了超级雷达

【2】行业应用方案 | 雷达天线与系统- Ansys中国曹根林

作者：电磁应用HFSS 仿真秀优秀讲师

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首次发布时间：2022-08-19