矩形波導(dǎo)寬邊四元斜縫天線

　引言

　　波導(dǎo)縫隙天線具有口面場分布容易控制，沒有能量漏失、天線口徑效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、強(qiáng)度高、安裝方便、抗風(fēng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且容易實(shí)現(xiàn)窄波束、賦形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波導(dǎo)縫隙天線已經(jīng)成為新型雷達(dá)中天線的優(yōu)選形式，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通訊領(lǐng)域。該天線要求在水平面內(nèi)具有寬波束的特點(diǎn)，能夠覆蓋比較寬的范圍，從而更有效地提高車輛的戰(zhàn)場生存能力。天線需要滿足的性能指標(biāo)如下：a.增益：大于11dB；b.3dB波束寬度：E面為20°，H面為110°；c.副瓣電平：小于-13dB；d.駐波比：小于2。

　　波導(dǎo)縫隙天線是一種重要的微波天線，在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著波導(dǎo)縫隙數(shù)目的增加，單純依靠仿真軟件或是數(shù)值方法，在普通PC機(jī)上都很難進(jìn)行分析。因此，對(duì)大型波導(dǎo)縫隙天線快速高效的分析計(jì)算成為工程上的迫切需要。本文基于廣義導(dǎo)納矩陣（GAM），圍繞大型波導(dǎo)縫隙天線的快速分析展開了研究：本文首先采用模式匹配的經(jīng)典理論，建立了以波導(dǎo)縫隙天線裂縫所在平面法線方向?yàn)閰⒖挤较虻姆治瞿Ｐ?，將天線分成內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域。對(duì)于天線內(nèi)部區(qū)域，提出了行波狀態(tài)利諧振狀態(tài)兩種情況下波導(dǎo)縫隙天線內(nèi)部區(qū)域廣義導(dǎo)納參數(shù)的快速提取方案，建立了具有廣泛適用性的天線單元廣義導(dǎo)納參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了縫隙天線內(nèi)部區(qū)域GAM的級(jí)聯(lián)，得到了廣義輸入導(dǎo)納等主要參數(shù)，與HFSS仿真結(jié)果吻合良好。

　　1 理論分析

　　1.1 串聯(lián)縫隙陣的模型

　　由波導(dǎo)內(nèi)的場分布情況可知：當(dāng)波導(dǎo)寬邊中心開斜縫時(shí)，窄縫在縱向不切割電流線；在縫的橫向由于對(duì)電場的擾動(dòng)，使得總電場在縫的兩側(cè)發(fā)生跳變，即電壓跳變，故相當(dāng)于在傳輸線上串聯(lián)了一個(gè)阻抗。對(duì)中心饋電的諧振線陣模型來說，假設(shè)波導(dǎo)壁上開有Ⅳ爪斜縫，縫與縫中心間距λg／2，為取得同相激勵(lì)，相鄰縫交叉傾斜放置，波導(dǎo)末端短路板距終端縫隙λg／2，以使縫隙中心處于電壓或電流最大值位置，線陣模型如圖1所示。

圖中所示均為歸一化的等效電阻。

　　1.2 縫隙特性參數(shù)的分析

　　在天線工作頻率的選取上，本雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率為10.5GHz，故該天線的工作頻率為10.5GHz，，對(duì)于陣列中各單元以等間距位于直線上的線陣，其陣列因子可表示為：

　　將后一項(xiàng)按多項(xiàng)式展開，Z的各次冪系數(shù)即為相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)幅度。

　　由圖2，當(dāng)波導(dǎo)采用中心饋電并處于諧振的時(shí)候（其阻抗虛部為零），對(duì)泰勒分布而言，則有：

　　將之前得到的每個(gè)縫隙的激勵(lì)幅度代入即可求得相應(yīng)的歸一化電阻值，在本設(shè)計(jì)中N取4。

　　A.F.STevensON利用洛倫茲互易定理及波導(dǎo)中功率的平衡方程，得到了串聯(lián)縫隙的歸一化等效電阻表示式為：

　　其中β表示縫隙中心線與波導(dǎo)寬邊中心線之間的夾角，α為寬壁的長度，b為窄壁的長度。將之前求得的rn代入并求解方程可得到對(duì)應(yīng)的縫隙偏角。

　　1.3 影響天線性能的因素

　　應(yīng)用以上所計(jì)算出來的結(jié)果來進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)，還必須考慮縫隙間的互耦問題；若不考慮互耦，將使天線口徑面的幅度分布和相位分布變壞，同時(shí)也將惡化天線的輸入端匹配。

　　串聯(lián)縫隙與縱向縫隙相比，由于其角度偏轉(zhuǎn)的原因，其交叉極化輻射要比縱向縫隙高，這會(huì)帶來副瓣電平的升高和增益的降低，仿真結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，而這是我們在設(shè)計(jì)中所不希望看到的，需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設(shè)計(jì)中，采用在每個(gè)縫隙上方加一個(gè)小波導(dǎo)口的辦法，小波導(dǎo)的傳播方向垂直于縫隙所在的平面。

　　2 建模與仿真

　　本文在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線的過程中，設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真都是在CST時(shí)域求解器的環(huán)境中完成的。

　　2.1 天線模型的建立

　　輻射波導(dǎo)選用的尺寸是22.86×10.16mm，縫一側(cè)的波導(dǎo)壁厚1mm，縫寬為2mm，波導(dǎo)兩端為理想短路面；截止波導(dǎo)16×8mm。建立模型，其框架圖如圖3所示：

　　其中黑色標(biāo)記處為同軸線中心饋電點(diǎn)；輻射口上方的方形材料為天線罩；從左到右縫隙的編號(hào)依次為1～4。

　　2.2 仿真結(jié)果分析

　　仿真中將縫長l和傾角β設(shè)置成變量，l的初始值取λ／2，利用CST的參數(shù)掃描功能，對(duì)縫隙長度和傾角進(jìn)行掃描。通過設(shè)置合理的步長，能夠加快掃描進(jìn)度，減少計(jì)算時(shí)間。由于本設(shè)計(jì)采用的是同軸線中心饋電，需要考慮阻抗匹配的問題，否則會(huì)在與波導(dǎo)的連接處產(chǎn)生反射，影響天線的性能。根據(jù)λ／4阻抗變換的原理，在仿真中通過改變同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針的長度來進(jìn)行匹配，觀察端口模式當(dāng)同軸線輸入阻抗為50 Ω時(shí)即認(rèn)為達(dá)到了所需的效果，經(jīng)過仿真得到同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針長度為8.5mm。并在此基礎(chǔ)上仿真得到縫隙的參數(shù)如下：

從仿真結(jié)果中可以很明顯看出，中心頻率處駐波比達(dá)到了非常理想的效果，在駐波比為2以下的帶寬大約為400MHz，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求；其H面方向圖（即天線架裝后的水平方向圖）波束寬度達(dá)到了寬角度探測的要求；E面方向圖也達(dá)到了指標(biāo)要求，不足之處在于其副瓣電平還不是非常理想，這主要是由于為了滿足波束寬度的需要而采用縫隙數(shù)較少的緣故，但其損失在可接受的范圍內(nèi)。

　　3 結(jié)束語

　　本文從應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)際情況出發(fā)，利用波導(dǎo)寬邊中心斜縫的形式設(shè)計(jì)了一款小型四元線陣天線，通過仿真分析，其各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到了規(guī)定的指標(biāo)要求。對(duì)于天線外部區(qū)域，建立了帶無限大導(dǎo)電板的波導(dǎo)縫隙陣列的分析模型，推導(dǎo)出表征波導(dǎo)縫隙天線外部區(qū)域各單元之間模式耦合的廣義導(dǎo)納參數(shù)的積分方程。并且由于體積小、穩(wěn)定性好、能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在實(shí)際制作由于加工工藝等方面的原因會(huì)造成一定的誤差，需要嚴(yán)格控制加工誤差。