矩形波導寬邊四元斜縫天線(xiàn)

　引言

　　波導縫隙天線(xiàn)具有口面場(chǎng)分布容易控制，沒(méi)有能量漏失、天線(xiàn)口徑效率高、性能穩定、結構簡(jiǎn)單緊湊、強度高、安裝方便、抗風(fēng)力強等優(yōu)點(diǎn)，而且容易實(shí)現窄波束、賦形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波導縫隙天線(xiàn)已經(jīng)成為新型雷達中天線(xiàn)的優(yōu)選形式，被廣泛應用于雷達和通訊領(lǐng)域。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。

　　波導縫隙天線(xiàn)是一種重要的微波天線(xiàn)，在通信和雷達系統中獲得了廣泛的應用。然而，隨著(zhù)波導縫隙數目的增加，單純依靠仿真軟件或是數值方法，在普通PC機上都很難進(jìn)行分析。因此，對大型波導縫隙天線(xiàn)快速高效的分析計算成為工程上的迫切需要。本文基于廣義導納矩陣（GAM），圍繞大型波導縫隙天線(xiàn)的快速分析展開(kāi)了研究：本文首先采用模式匹配的經(jīng)典理論，建立了以波導縫隙天線(xiàn)裂縫所在平面法線(xiàn)方向為參考方向的分析模型，將天線(xiàn)分成內外兩個(gè)區域。對于天線(xiàn)內部區域，提出了行波狀態(tài)利諧振狀態(tài)兩種情況下波導縫隙天線(xiàn)內部區域廣義導納參數的快速提取方案，建立了具有廣泛適用性的天線(xiàn)單元廣義導納參數數據庫，實(shí)現了縫隙天線(xiàn)內部區域GAM的級聯(lián)，得到了廣義輸入導納等主要參數，與HFSS仿真結果吻合良好。

　　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。

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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　2.2 仿真結果分析

　　仿真中將縫長(cháng)l和傾角β設置成變量，l的初始值取λ／2，利用CST的參數掃描功能，對縫隙長(cháng)度和傾角進(jìn)行掃描。通過(guò)設置合理的步長(cháng)，能夠加快掃描進(jìn)度，減少計算時(shí)間。由于本設計采用的是同軸線(xiàn)中心饋電，需要考慮阻抗匹配的問(wèn)題，否則會(huì )在與波導的連接處產(chǎn)生反射，影響天線(xiàn)的性能。根據λ／4阻抗變換的原理，在仿真中通過(guò)改變同軸線(xiàn)內導體探針的長(cháng)度來(lái)進(jìn)行匹配，觀(guān)察端口模式當同軸線(xiàn)輸入阻抗為50 Ω時(shí)即認為達到了所需的效果，經(jīng)過(guò)仿真得到同軸線(xiàn)內導體探針長(cháng)度為8.5mm。并在此基礎上仿真得到縫隙的參數如下：

從仿真結果中可以很明顯看出，中心頻率處駐波比達到了非常理想的效果，在駐波比為2以下的帶寬大約為400MHz，其結果符合設計要求；其H面方向圖（即天線(xiàn)架裝后的水平方向圖）波束寬度達到了寬角度探測的要求；E面方向圖也達到了指標要求，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(mǎn)足波束寬度的需要而采用縫隙數較少的緣故，但其損失在可接受的范圍內。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文從應用目標的實(shí)際情況出發(fā)，利用波導寬邊中心斜縫的形式設計了一款小型四元線(xiàn)陣天線(xiàn)，通過(guò)仿真分析，其各項性能參數都達到了規定的指標要求。對于天線(xiàn)外部區域，建立了帶無(wú)限大導電板的波導縫隙陣列的分析模型，推導出表征波導縫隙天線(xiàn)外部區域各單元之間模式耦合的廣義導納參數的積分方程。并且由于體積小、穩定性好、能夠滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要，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，需要嚴格控制加工誤差。