矩形波導寬邊四元斜縫天線(xiàn)的設計

O 引言
波導縫隙天線(xiàn)自上世紀中葉以來(lái)有了很大的發(fā)展，廣泛用于地面、艦載、機載、導航等各個(gè)領(lǐng)域。由于縫隙陣列天線(xiàn)對天線(xiàn)口徑面內的幅度分布容易控制，口徑面利用率高，體積小，易于實(shí)現低或極低副瓣等特點(diǎn)，因而使其獲得廣泛使用。在波導縫隙天線(xiàn)的研究方面，許多學(xué)者對縫隙天線(xiàn)理論和實(shí)驗進(jìn)行了大量基礎性的研究工作，因而波導縫隙天線(xiàn)的理論越來(lái)越成熟。本文所設計的就是基于車(chē)載雷達系統應用的一種小型波導縫隙天線(xiàn)。該天線(xiàn)要求在水平面內具有寬波束的特點(diǎn)，能夠覆蓋比較寬的范圍，從而更有效地提高車(chē)輛的戰場(chǎng)生存能力。天線(xiàn)需要滿(mǎn)足的性能指標如下：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。
為簡(jiǎn)化設計起見(jiàn)，本設計采用波導寬壁斜縫諧振陣的方式，切割的縫隙數為4個(gè)，達到了指標要求的效果。

1 理論分析
1．1 串聯(lián)縫隙陣的模型
由波導內的場(chǎng)分布情況可知：當波導寬邊中心開(kāi)斜縫時(shí)，窄縫在縱向不切割電流線(xiàn)；在縫的橫向由于對電場(chǎng)的擾動(dòng)，使得總電場(chǎng)在縫的兩側發(fā)生跳變，即電壓跳變，故相當于在傳輸線(xiàn)上串聯(lián)了一個(gè)阻抗。對中心饋電的諧振線(xiàn)陣模型來(lái)說(shuō)，假設波導壁上開(kāi)有Ⅳ爪斜縫，縫與縫中心間距λg／2，為取得同相激勵，相鄰縫交叉傾斜放置，波導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(xiàn)陣模型如圖1所示。

其等效電路如圖2所示。

圖中所示均為歸一化的等效電阻。
1．2 縫隙特性參數的分析
在天線(xiàn)工作頻率的選取上，本雷達系統的工作頻率為10．5GHz，故該天線(xiàn)的工作頻率為10．5GHz,，對于陣列中各單元以等間距位于直線(xiàn)上的線(xiàn)陣，其陣列因子可表示為：

其中An為激勵的幅度，θ為觀(guān)察方向與直線(xiàn)的夾角，d為陣元間距。由于諧振陣各單元是同相的，即φn=O，則上式可簡(jiǎn)化為：

當u=2mπ，m=O，±1，…時(shí)，S取最大值，且m=0時(shí)為主瓣。為了實(shí)現低副瓣并使主瓣展寬，采用中心饋電從陣中到邊緣幅度遞減，按泰勒線(xiàn)源分布加權各縫隙，兩邊呈對稱(chēng)分布，其方向圖零點(diǎn)位置由下式?jīng)Q定：


將后一項按多項式展開(kāi)，Z的各次冪系數即為相對應的激勵幅度。
由圖2，當波導采用中心饋電并處于諧振的時(shí)候(其阻抗虛部為零)，對泰勒分布而言，則有：

將之前得到的每個(gè)縫隙的激勵幅度代入即可求得相應的歸一化電阻值，在本設計中N取4。
A．F．Stevenson利用洛倫茲互易定理及波導中功率的平衡方程，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(xiàn)與波導寬邊中心線(xiàn)之間的夾角，α為寬壁的長(cháng)度，b為窄壁的長(cháng)度。將之前求得的rn代入并求解方程可得到對應的縫隙偏角。
1．3 影響天線(xiàn)性能的因素
應用以上所計算出來(lái)的結果來(lái)進(jìn)行天線(xiàn)的設計，還必須考慮縫隙間的互耦問(wèn)題；若不考慮互耦，將使天線(xiàn)口徑面的幅度分布和相位分布變壞，同時(shí)也將惡化天線(xiàn)的輸入端匹配。近年來(lái)隨著(zhù)計算機輔助技術(shù)的飛速發(fā)展，在設計比較小的縫隙陣列時(shí)，通過(guò)仿真得到近場(chǎng)數據的近場(chǎng)診斷法越來(lái)越受到重視。在縫隙數為4的情況下，根據上面得出的參數，結合CST軟件中參數掃描的功能，能夠快速地找到準確的電參數，大大提高了設計的效率。
串聯(lián)縫隙與縱向縫隙相比，由于其角度偏轉的原因，其交叉極化輻射要比縱向縫隙高，這會(huì )帶來(lái)副瓣電平的升高和增益的降低，仿真結果也證實(shí)了這一點(diǎn)，而這是我們在設計中所不希望看到的，需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設計中，采用在每個(gè)縫隙上方加一個(gè)小波導口的辦法，小波導的傳播方向垂直于縫隙所在的平面。在不增加其傳播方向長(cháng)度的情況下，通過(guò)控制小波導的寬邊尺寸，使其截止波長(cháng)小于縫隙在交叉極化方向上傳播模的截止波長(cháng)，來(lái)抑制交叉極化電平。為進(jìn)一步降低交叉極化電平，同時(shí)也對主瓣波形進(jìn)行調整，參照仿真結果，可在小波導口中間插入金屬片來(lái)進(jìn)一步減小其寬邊尺寸，仿真結果表明，該方法能有效地降低交叉極化所帶來(lái)的影響。

2 建模與仿真
本文在設計波導縫隙天線(xiàn)的過(guò)程中，設計中的數值仿真都是在CST時(shí)域求解器的環(huán)境中完成的。
2．1 天線(xiàn)模型的建立
輻射波導選用的尺寸是22．86×10．16mm，縫一側的波導壁厚1mm，縫寬為2mm，波導兩端為理想短路面；截止波導16×8mm。建立模型，其框架圖如圖3所示：

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