一種低副瓣高增益裂縫天線的設計

張成果，石 磊，袁 洪

(1.91278部隊，遼寧 大連116041；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

一種低副瓣高增益裂縫天線的設計

張成果1，石 磊2，袁 洪2

(1.91278部隊，遼寧 大連116041；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

介紹了一種新的波導裂縫天線設計的方法。該方法根據Elliott的經典理論給出理想狀態下的輻射縫隙參數與線源口徑分布的數學關系，利用電磁仿真軟件提取不同狀態下裂縫的參數，擬合得到輻射縫隙電導和裂縫位置長度等物理量間的關系，由此計算出縫隙的各個參量。與傳統方法相比，該方法省去了實驗測試的環節，提高了設計精度，縮短了設計周期，滿足了低副瓣的設計需求。

波導裂縫天線；低副瓣；高增益

0 引 言

波導裂縫天線陣由于結構緊湊、重量輕、加工方便、低成本、高增益并且易于實現超低副瓣等優點而得到了廣泛應用。其基本原理是利用在波導寬壁或窄壁上開有的裂縫來切斷波導壁上的電流而產生輻射。波導裂縫的輻射強度和相位可以通過改變裂縫偏置或傾角來控制。傳統波導裂縫天線設計時需要制作若干不同物理參量的裂縫天線試驗件，通過測量的方法提取裂縫的電參數。設計周期長成本高，且精度有限。本文利用Elliott關于波導裂縫的理論基礎[1]，結合計算機仿真的方法，提取了裂縫電參數。與以往的傳統設計方法相比，本設計方法不需要通過試驗測試環節來得到縫隙電參數，使得設計周期和成本大大減少。設計精度的提高可實現低副瓣的要求。最后，通過對天線增加反射板的方法使得增益得到了很大提高。

1 設計原理和方法

1.1 縫隙和線源選擇

常用的波導裂縫有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫和窄邊傾斜縫，如圖1所示。寬邊偏置縫常用作平板裂縫天線的輻射單元。寬邊傾斜縫可用作饋電單元。窄邊傾斜縫多用作水平極化天線。根據垂直極化的需求，這里采用寬邊偏置縫為輻射單元。

圖1 寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫和窄邊傾斜縫

根據電磁波在波導內的傳播方式，波導裂縫天線可分為駐波陣和行波陣。當波導終端短路且相鄰縫隙間距為導內波長一半時，波導內的電場分布呈駐波狀態，叫作駐波陣。圖2為寬邊裂縫的駐波陣。

圖2(a) 寬邊縱向并聯縫隙駐波陣

圖2(b) 寬邊傾斜串聯縫隙

行波陣是指波導終端接負載以吸收剩余功率的縫隙陣列天線。這種陣列縫隙單元間距不等于λg/2，波導內場接近行波場分布規律，因此稱為行波陣。本天線采用單根波導，選用行波陣以達到較高的輻射效率。

1.2 裂縫參數的計算

1.2.1 行波陣的設計方法

當所有裂縫以等間距d≠λg/2排列在一根波導上且最后一個縫后接匹配負載時陣列為行波陣(非諧振陣)時，模電壓的幅度不再相等。其等效電路如圖3所示。

圖3 行波陣等效電路

對于行波陣來說，由于每個縫隙間距不等于半導內波長，因此每個縫隙間會有一個固定的相位差，導致波束方向在H面內偏移。對于縫隙間距d，不能過小導致縫隙重疊，也不能過大導致柵瓣產生。因此，縫間距d有一個范圍，即

主瓣方向為

在陣元數目較多的情況下，每個縫隙的輻射功率僅是總功率的一小部分。因此，每個縫隙可看作波導中的一個小的不連續，它對入射波產生較小的反射。此外，由于縫隙間距不等于半導內波長，各縫隙產生的發射也不能同相疊加，因此在陣列的輸入端駐波較小[2]。

設陣列輸入功率為1，令r為匹配負載的吸收功率，則第N個縫隙處的入射功率為r+PN，在等效電路特性阻抗歸一化的條件下，此縫隙的等效電壓VN與入射功率滿足

另外，等效輸入電導為gN的縫隙，其輻射功率為

由上兩式可推出：

因此

由此可遞推得到

(1)

對于陣列的幅度分布和單元的輻射功率，有如下的關系：

兩邊求和可得到

(2)

陣列幅度分布和吸收功率都是已知的，由此可求出常數K，進而可求得每個縫隙的輻射功率Pn，從而可得到每個縫隙的電導值。再根據實驗或仿真得到的擬合數據，可求出每一個縫隙的偏置量和諧振長度。

1.2.2 仿真數據擬合

對20個等參量的縫隙線陣進行仿真，得到一系列不同縫隙物理參數下的電導數據。將電導參量和縫隙物理量進行擬合，得到電參量與物理參量之間的關系。

諧振長度與偏置量的擬合方程為

v(x)=k(7.6962+0.0143x2)

歸一化電導與偏置量的擬合方程為

g(x)=0.0348x2-0.000555x+0.000042

根據擬合方程和計算得到的電導值即可算出縫隙的偏置量和長度。

圖4 諧振長度與偏置量的擬合曲線

圖5 歸一化電導與偏置量的擬合曲線

1.3 反射板的設計

根據天線指標中對俯仰面波寬和增益的要求，單一線源并不能滿足，需在天線上下兩邊增加反射板來達到波束變窄的效果。依據最佳喇叭的主瓣寬度公式：

由此可計算得到反射板長85 mm，兩反射板與水平面夾角12.5°，反射板之間夾角25°。

圖6 反射板結構示意圖

2 仿真和測試結果

2.1 仿真結果

設計天線全長2500 mm左右，裂縫共93個，根據仿真優化結果得到裂縫寬度w=1.56 mm。波導采用BJ-100標準波導，寬邊尺寸22.86 mm，窄邊尺寸10.16 mm，壁厚1 mm。仿真結果如表1(其中fn+1-fn=10 MHz)。圖7和圖8為仿真結果的方向圖。

2.2 測試結果

天線在近場進行了掃描測試，結果如表2。圖9和圖10為測試結果的方向圖。

表1 仿真結果

圖7 帶反射板的波導線源方位面方向圖

圖8 帶反射板的波導線源俯仰面方向圖

表2 掃描測試結果

圖9 方位面方向圖

圖10 俯仰面方向圖

3 結束語

本文以波導裂縫的經典電磁理論為基礎，結合電磁仿真軟件的應用，通過對縫隙電導參數的仿真和擬合，省去以往波導裂縫天線設計中的實驗環節，使得設計周期和成本大大減小。采用一定數量的同參量縫隙進行仿真，得到了互耦狀態下的裂縫參數值，減少了繁瑣的互耦計算，提高了設計精度，可更好地實現低副瓣。根據仿真結果和實測結果的對比，其結果吻合很好，證明了此方法的準確性。此方法的特點是通過電磁仿真軟件快速提取參數，由此可推廣至所有的波導裂縫天線的設計，可大大提高天線工程設計的效率。

[1] Robert S Elliott. Antenna Theory and Design[M]. New Jersey,Pretice-Hall,Inc.,1981.

[2] Robert S Elliott.On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 1979,27(5).

Design of low-sidelobe high-gain slotted arrays

ZHANG Cheng-guo1, SHI Lei2, YUAN Hong2

(1.Unit 91278 of the PLA, Dalian 116041, China; 2.No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A new method of the waveguide slotted arrays is designed. According to the classical theory of Elliott, the mathematical relationship of the radiating slot parameters and the linear source caliber distribution under an ideal condition is given. The parameters of the slots under different conditions are gained through the electromagnetic simulation software. The simulation data are fitted, and then the relationships of the radiating slot conductance and the location and length of the slots are got. All the parameters of the slots are calculated. Compared with the conventional methods, this method features higher design accuracy and shorter design cycle with the test steps saved, meeting the requirements of the low sidelobe.

waveguide slotted arrays; low sidelobe; high gain

2014-10-20

作者簡介：張成果(1969-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術；石磊(1983-)，工程師，碩士，研究方向:天線饋線設計;袁洪：1981年生，工程師，碩士，研究方向為天線仿真設計。

TN823.24

A

1009-0401(2014)04-0046-04