柱面共形裂縫陣天線(xiàn)的設計與仿真 （一）

1 前言

波導裂縫陣天線(xiàn)容易控制口徑面上的幅度分布和相位分布，口徑面的利用效率高，體積小，剖面低，重量輕，在雷達和微波通信系統中獲得了廣泛的應用。但越來(lái)越多的要求需要天線(xiàn)與平臺載體共形，這就對裂縫陣天線(xiàn)提出了更高的要求。柱面共形陣中需補償從圓柱面上各輻射源到設計想的平口面的路程差在平口面上引起的非線(xiàn)性相位差，比如直徑為30λ的圓柱上，弧寬約10λ的陣面路程差在等效平口面引起的最大相差達260°，通過(guò)計算標明，若不補償，天線(xiàn)主瓣會(huì )裂頭，因此必須對此進(jìn)行設計，補償其相位差。

2 天線(xiàn)設計

A. 指標要求

頻率：f0±50MHz;

天線(xiàn)口徑：約

天線(xiàn)需與直徑f=30λ的圓柱共形

增益：35dB;

波束寬度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣電平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 電性能設計

裂縫陣天線(xiàn)由輻射層，耦合層和饋電系統組成，耦合層和饋電層在同一層，以滿(mǎn)足天線(xiàn)的厚度要求，耦合層為圓弧彎波導，通過(guò)其公共壁上的耦合孔向扇形波導饋電，圖1所示。

圖1 柱面共形陣列側示圖

(a) P面電性能設計

每一線(xiàn)源共136個(gè)陣元，其口徑分布按旁瓣電平-22dB的泰勒分布設計。圖2為其口徑幅度分布，根據圖2給出的激勵可以算得其相應的預期方向圖如圖3所示。波束的半功率寬度為0.59°，副瓣電平為-22dB。

圖2 線(xiàn)陣的幅度分布

圖3 天線(xiàn)線(xiàn)陣-22dB旁瓣泰勒分布方向圖

在本天線(xiàn)陣列中，出于對陣列工作頻率帶寬的考慮，每一線(xiàn)源被劃分成四根等長(cháng)的短線(xiàn)源，而每部分的短線(xiàn)源與其平行排布的12根其它短線(xiàn)源組成的子陣后，再通過(guò)一個(gè)一到四的波導功分網(wǎng)絡(luò )來(lái)組合到一塊。由于陣面在軸向實(shí)行了幅度加權，因此各個(gè)子陣的輻射的功率并不都相同。為了滿(mǎn)足幅度分布，該功分網(wǎng)絡(luò )針對子陣的四個(gè)出口的功分比分別為0.144、0.356、0.356和0.144(或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB)。

(b) Q面電性能設計

Q面電性能設計為共形陣列的設計重點(diǎn)，即耦合陣列設計是天線(xiàn)設計重點(diǎn)，通過(guò)耦合陣列的設計來(lái)補償空間相位差。饋電波導耦合縫的位置和耦合強度決定了呈圓弧排列的線(xiàn)源在Q面的口徑分布。因Q面各線(xiàn)源不在空間同一平面位置所造成的相位差如圖4所示。

這樣的相位差必需進(jìn)行補償，否則該面波束會(huì )出現凹陷，如果我們假設面陣在弧向方向的幅度按照均勻方式分布，其方向圖如圖5所示。

其空間相位差補償后的方向圖如圖6所示。由圖可見(jiàn)，通過(guò)饋電波導進(jìn)行相位補償后Q面方向圖與原預期方向圖基本一致。即方向圖主瓣寬度為5.1°，副瓣電平-13.3dB左右，滿(mǎn)足對波束寬度和副瓣電平的指標要求。

圖4 空間相位差

圖5 未補相時(shí)的Q面方向圖

圖6 補相后的Q面方向圖