波導縫隙天線(xiàn)的設計仿真方案

0 引言

波導縫隙陣列天線(xiàn)口徑幅度易于控制，具有輻射效率高，方向性強，結構緊湊等特點(diǎn)，而且容易實(shí)現低副 瓣乃至極低副瓣，因此在雷達和通信領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。高頻仿真軟件HFSS在電磁仿真領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，有著(zhù)高仿真精度、高穩定性的特點(diǎn)。使用 HFSS 的3D建模功能，可以很容易解決簡(jiǎn)單的模型創(chuàng )建問(wèn)題，但是對于復雜天線(xiàn)結構模型的建立，沒(méi)有特別有效的方法，使得建模過(guò)程十分繁瑣耗時(shí)，而且容易出錯。利 用HFSS 提供的VBScript腳本功能，可以對軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以VBScript作為接口，利用Matlab調用HFSS協(xié)同建模仿真，可以簡(jiǎn)化模型建立的 操作，節約設計時(shí)間。

本文提出了一套波導縫隙天線(xiàn)的快速建模方法，設計了一個(gè)波導寬邊裂縫陣列天線(xiàn)。并以此波導縫隙天線(xiàn)為例，應用Matlab協(xié)同HFSS建立模型仿真，對仿真結果進(jìn)行了分析。

1 基本理論

波導縫隙天線(xiàn)是在波導寬壁或窄壁上開(kāi)縫的天線(xiàn)，波導中傳輸的電磁波可以通過(guò)縫隙向外界進(jìn)行輻射。通常有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫、窄邊傾斜縫隙這幾種開(kāi)縫形式。根據波導終端的形式不同，波導縫隙陣天線(xiàn)可以分為行波陣和駐波陣。行波陣的波導終端接吸收負載，單元間距稍大或稍小于λg /2 ,駐波陣在距離終端λg /4 處接短路滑塊，單元間距均為λg /2 ,本文設計的就是一個(gè)波導駐波陣天線(xiàn)。

1.1 波導縫隙天線(xiàn)理論分析

波導上的輻射縫隙向外界輻射能量，引起波導負載的變化，應用傳輸線(xiàn)理論分析波導的工作狀態(tài)比較方便，將相應的縫隙等效成與傳輸線(xiàn)串聯(lián)的阻抗或并聯(lián)的導納，再建立對應的等效電路模型，進(jìn)而可以求出各個(gè)縫隙的等效阻抗或導納。Stevenson 等效電路法，就是根據傳輸線(xiàn)理論和波導模的格林函數導出矩形波導縫隙的計算公式。圖1所示為波導寬邊縱向偏置縫隙及其等效電路。

歸一化等效諧振電導為：

對比軟件仿真與式（1）計算結果誤差在10-2數量級，由此可見(jiàn)應用式（1）計算精度可以滿(mǎn)足設計要求。

1.2 波導縫隙駐波陣設計

按泰勒分布加權各縫隙激勵幅度，副瓣電平Ro ,設計N 單元波導寬邊偏置縫隙陣天線(xiàn)。由副瓣電平Ro確定參數A :

因此，由式（2）可以計算出符合泰勒分布的各個(gè)縫隙的激勵幅度值an ,代入到式（3）中：

求出各個(gè)縫隙的歸一化電導g ,再將求出的歸一化電導值代入式（1）中，從而可以得出各個(gè)縫隙的偏移量。

2 Matlab 協(xié)同HFSS 建模仿真

設計一個(gè)中心頻率為10 GHz,SLL=-25 dB,nˉ =4,N = 21的波導縫隙陣天線(xiàn)。由式（1）~式（3）綜合出各個(gè)縫隙的激勵幅度an ,縫隙偏移量d .縫隙的諧振長(cháng)度可以通過(guò)HFSS仿真出來(lái)，仿真模型如圖2所示，縫寬設置縫隙長(cháng)度l 為掃描變量，滿(mǎn)足im（Y ） = 0 時(shí)的l 值即為縫隙諧振長(cháng)度。

表1 是一組泰勒分布縫隙的激勵幅度，諧振長(cháng)度參數。其中12~21 號縫隙與1~10 號縫隙對稱(chēng)。HFSS提供了VBScript腳本語(yǔ)言功能，Matlab可以通過(guò)這個(gè)接口調用HFSS 建立相應的模型，實(shí)現Matlab 協(xié)同HFSS建模仿真。

在Matlab 中需設置如下：設置HFSS 以及生成的VBScript路徑；編寫(xiě)波導模型、激勵以及邊界條件程序；運行m文件生成VBScript,調用HFSS建立模型見(jiàn)圖3.

選用波導尺寸22.86 mm×10.16 mm,波導壁厚1 mm,饋電端口距離縫隙中心λg /2 ,末端縫隙中心距終端λg /4 ,終端短路。從圖4駐波曲線(xiàn)可以看出在駐波小于2的帶寬約為150 MHz,由圖5可知E面方向圖波瓣寬度約為5°，H面方向圖波瓣寬度76°，天線(xiàn)增益為19.7 dB,第一副瓣-24.5 dB,滿(mǎn)足設計要求。

3 結語(yǔ)

本文以泰勒幅度加權，設計了一個(gè)副瓣電平為-25 dB,縫隙數為21 的波導寬邊裂縫天線(xiàn)。利用HFSS 的VBScript 功能作為接口，在Matlab 中編寫(xiě)相應的程序，生成VBScript腳本，進(jìn)而調用HFSS建立了波導縫隙天線(xiàn)的模型，并進(jìn)行了仿真分析。從仿真結果可以看出天線(xiàn)滿(mǎn)足設計要求，同時(shí) 也說(shuō)明了使用Matlab協(xié)同HFSS建模方法的可行性。當在建立更為復雜的天線(xiàn)模型時(shí)，例如波導的縫隙數量為幾十甚至幾百個(gè)時(shí)，因為各個(gè)縫隙參數不盡相 同，無(wú)法在HFSS中利用簡(jiǎn)單的復制操作批量完成，若將縫隙參數導入Matlab建模，則優(yōu)勢十分明顯。