一種圓柱波導(dǎo)縫隙全向天線的設(shè)計(jì)

喻 盛

（中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所 陜西 西安 710068）

0 概述

微波全向天線廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。全向天線通常是指天線的方向圖在水平面內(nèi)是一個(gè)無方向性的圓，即方向性系數(shù)為1的天線。全向天線的極化形式有水平極化、垂直極化和圓極化。垂直極化近似電偶極子的輻射，水平極化近似磁偶極子的輻射。通常垂直極化全向天線的實(shí)現(xiàn)較容易，有單極天線、偶極子、雙錐天線、波導(dǎo)縫隙天線、同軸交叉饋電（co-co）天線等形式。由于磁偶極子并不存在，所以水平極化全向天線需要靠組陣來實(shí)現(xiàn)，常見的形式有圓柱縫隙陣 、圓柱微帶陣、旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線、波導(dǎo)隙縫天線、Alford環(huán)等多種形式。本文介紹一種在圓柱波導(dǎo)上開槽的水平極化全向天線，具有低損耗、免饋電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了±0.6dB的不圓度。

1 天線設(shè)計(jì)與分析

圓柱波導(dǎo)上開槽的水平極化全向天線是一種方位不圓度較好、結(jié)構(gòu)緊湊的陣列天線。與其它形式的天線相比，該天線能夠根據(jù)不同的俯仰波束寬度要求，通過適當(dāng)?shù)脑黾犹炀€的陣元數(shù)，而不用增加額外的饋電網(wǎng)絡(luò)，極大的簡(jiǎn)化了天線的設(shè)計(jì)。

圓柱體上的縫隙陣陣元位置如圖1所示。其中a為圓柱形空腔內(nèi)半徑，d0為第一個(gè)縫中心與地板的間距，d為縱向縫隙的間距。每個(gè)縫隙的位置用（i'，i）表示，i'表示縫隙沿圓周方向的位置。因?yàn)槠矫鎯?nèi)縫隙為均勻分布的圓環(huán)陣,陣中縫隙個(gè)數(shù)為s，所以其方位角為φi'=2πi/s0。i表示縫在縱向的位置,因?yàn)榭p隙的縱向間距相同,所以其縱坐標(biāo)為z=id。由于要滿足邊界條件，縫隙的輻射場(chǎng)與其所在的波導(dǎo)情況有關(guān)。在z=0平面上時(shí)i=1，用（i'，l）表示長(zhǎng)度為l近似為半波長(zhǎng)的單個(gè)縱向縫隙。

圖1 隙縫陣陣元位置示意圖

縫隙上的電場(chǎng)分布為：

式（5）是圓柱體上位于z=0平面上的單個(gè)半波長(zhǎng)縱向縫隙的輻射場(chǎng)，對(duì)于任意平面上的縫隙為：

由式（6）單個(gè)縫隙場(chǎng)的疊加，可以得到整個(gè)環(huán)形縫隙天線陣的方向圖：

在天線陣中，一般選擇d=λg/2，λg為設(shè)計(jì)中心頻率的波導(dǎo)波長(zhǎng)，Vi為縫隙中心的電場(chǎng)。

2 天線性能

經(jīng)過設(shè)計(jì)分析，使用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最后天線的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為：圓柱形空腔的內(nèi)徑2a≈λ0，單元縫縱向間距d為0.78λ0，橫向縫隙在圓周上數(shù)量s為7，銷釘直徑為1.5mm，銷釘長(zhǎng)度為λ0/4，縫隙寬度為2mm，縫隙長(zhǎng)度為 λ0/2，縫隙中心與地板間距 d0為 1.56λ0，壁厚為 0.4mm。天線的模型和實(shí)物如圖2、圖3所示：

圖2 天線模型圖

圖3 天線實(shí)物圖

通過加工試驗(yàn)，天線的駐波和方向圖如下圖4、圖5、圖6所示：

圖4 天線的駐波

圖5 方位面方向圖

圖6 俯仰面方向圖

由于該天線是使用探針對(duì)縫隙進(jìn)行空間饋電，所以圓周上的縫隙處的電場(chǎng)幅度和相位均相等。為了有效的形成全向性方向圖，需在每個(gè)縫隙的旁邊附加一個(gè)耦合銷釘，該銷釘?shù)拈L(zhǎng)度約為λ0/4。通過銷釘?shù)鸟詈希苡行У漠a(chǎn)生一個(gè)方位面全向的方向圖。為了提高天線的不圓度，銷釘?shù)奈恢迷诳v向上交錯(cuò)布置，即第一行銷釘在縫隙的左邊，第二行銷釘在縫隙的右邊。試驗(yàn)表明，這種分布能極大的提高天線的不圓度。本設(shè)計(jì)縱向縫隙單元數(shù)為2，橫向圓周縫隙均勻分布7個(gè)，單元間距0.78λ0。通過仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)銷釘?shù)奈恢煤烷L(zhǎng)度對(duì)天線的駐波、方位面不圓度有較大的影響。銷釘偏離縫隙中心越遠(yuǎn)，則天線的不圓度越差，而且駐波變大，帶寬變窄。圓周上縫隙單元數(shù)以7個(gè)時(shí)天線的不圓度最佳。單元數(shù)過少時(shí)不圓度較差，過多時(shí)變化不大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致加工更復(fù)雜。而饋電探針的長(zhǎng)度直接影響天線的諧振頻率。在隨后的加工試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，銷釘?shù)南蛐男詫?duì)天線的不圓度也有較大的影響。當(dāng)銷釘?shù)闹赶蚱x中心線和縫隙時(shí)，天線的不圓度惡化相對(duì)較小；當(dāng)銷釘?shù)闹赶蚱x中心線并靠近縫隙中心時(shí)，天線的不圓度惡化非常迅速。所以，在焊接銷釘時(shí)，需要使用工裝來保證所有銷釘?shù)南蛐男浴?/p>

通過加工試驗(yàn)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。天線方位面不圓度為±0.6dB，天線增益為7.08dB。較好的實(shí)現(xiàn)了水平極化天線的全向性。

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［2］R F Hamngton.Field Computation by Moment Methods[J].New York:Macmillan,1968.

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