Ku波段波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計

魏文博,張洪濤（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

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Ku波段波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計

魏文博,張洪濤
（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

摘 要：本文介紹了一種新穎的Ku波段波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計，該天線通過在圓波導(dǎo)柱面上開鑿一定數(shù)量的傾斜縱向縫隙，組成縫隙陣列。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和仿真，天線在方位面360o范圍內(nèi)，增益起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，天線增益大于7.5dB，可用于雷達(dá)、基站通信等系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：圓波導(dǎo)；縫隙陣；全向；天線

1 引言

縫隙天線陣元的形式多種多樣［1-2］，這是由于波導(dǎo)場分布的特點使單個縫隙天線（陣元）的位置比較靈活，甚至只要附加適當(dāng)?shù)募钤涂墒乖诓煌椛湮恢蒙系目p隙也變成輻射元。

通常為了增強縫隙天線的方向性，在圓波導(dǎo)側(cè)壁上按一定規(guī)律開多條尺寸相同的縫隙，即構(gòu)成圓波導(dǎo)縫隙天線陣。

波導(dǎo)縫隙陣列天線具有機械強度好，結(jié)構(gòu)緊湊、輻射效率高、耐腐蝕、便于加工等一系列優(yōu)點，因而在雷達(dá)、微波通信以及廣播電視系統(tǒng)中廣泛使用。

對于波導(dǎo)縫隙全向天線，傳統(tǒng)的設(shè)計方法主要有三種，第一種是單根矩形波導(dǎo)雙面開設(shè)輻射縫隙的全向天線［1］，這種天線增益可達(dá)10dB以上，但是水平不圓度較差，在水平面增益差達(dá)2dB以上。第二種是由梯形波導(dǎo)縫隙天線組成的圓環(huán)陣［2］，增益可以達(dá)到10dB以上，方位面不圓度小于6.5dB，這種中心饋電的波導(dǎo)縫隙圓環(huán)陣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大。第三種是在圓波導(dǎo)的側(cè)壁上開鑿縱向輻射縫隙，通過調(diào)諧激勵探針的方法來激勵輻射縫隙，從而實現(xiàn)全向天線的性能［3］，這種全向天線的不圓度較好，但是其增益一般只能做到5dB以下，并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

本文提出了一種新穎的波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計，在圓波導(dǎo)側(cè)壁上開設(shè)一系列的傾斜縱向輻射縫隙，仿真結(jié)果顯示，在方位面360o范圍內(nèi)增益起伏小于0.5dB，方位面不圓度較好，天線增益優(yōu)于7.5dB，可用于雷達(dá)和基站通信系統(tǒng)中。

2 波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計

波導(dǎo)縫隙陣列天線可分為諧振陣列天線（駐波陣）和非諧振陣列天線（行波陣）兩種形式。我們這里設(shè)計的波導(dǎo)縫隙全向天線屬于波導(dǎo)縫隙諧振陣列天線的范疇，具體來說，這類天線一般在圓波導(dǎo)的一周均勻加工6～8個縱向縫隙，已實現(xiàn)全向性的要求。合理選擇圓波導(dǎo)的內(nèi)徑?值，使得相鄰縫隙間間距約為λg/2，每個縫隙的長度約為λ/2，其中λg為波導(dǎo)的工作波長，λ為自由空間工作波長，縫寬一般取2～3mm，終端設(shè)置短路板，短路板距終端縫隙中心約為λg/2，縫隙的傾角為θ，于是天線陣的各縫隙單元被同相激勵，波導(dǎo)處于諧振狀態(tài)，最大輻射方向與波導(dǎo)表面垂直。

這里圓波導(dǎo)的一周按照6個傾斜縱向輻射縫隙來設(shè)計，為獲得更高的增益，設(shè)計了4排縫隙陣列，全向波導(dǎo)縫隙陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 設(shè)計結(jié)果

對于該全向波導(dǎo)縫隙天線，采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行了全波仿真分析，輻射縫隙的長度為10mm，縫隙的傾角為20度，圓波導(dǎo)的內(nèi)壁直徑為22mm，波導(dǎo)的壁厚為1mm。圖2給出了中心頻點的立體方向圖，可以看出天線的全向性非常好。

圖3所示為天線的回波損耗仿真曲線，由仿真結(jié)果可以看出，在頻段14.2-15.6GHz的帶寬內(nèi)，天線的回波損耗小于-10dB。

圖4為天線在頻帶內(nèi)低、中、高頻率點仿真的E面、H面遠(yuǎn)場輻射方向圖。由圖可以看出，在整個頻帶內(nèi)，天線在方位面360o范圍內(nèi)具有很好的全向性，不圓度小于0.5dB。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種Ku波段波導(dǎo)縫隙全向天線，該天線在圓波導(dǎo)上開設(shè)傾斜的縱向縫隙，結(jié)構(gòu)簡單，易加工，在方位面360度內(nèi)起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，可應(yīng)用在雷達(dá)、通信等系統(tǒng)中。

參考文獻：

［1］.Elliott R．S．Antenna theory and design．Englewood Cliffs［C］，NJ： Prentice Hall,1981．

［2］.Cheng-geng Jan，Powen Hsu． Moment method analysis of sidewall inclined slots in rectangular waveguides［J］.IEEE Trans．On Antennas and Propagation,1991,39（01）：68-73．

［3］.謝艷萍，郭慶功.C波段波導(dǎo)縫隙全向天線的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.信息與電子工程，2007,2（05）：119-122.

［4］鄭琨,王英民,曲少春.波導(dǎo)縫隙全向天線設(shè)計與仿真［J］. 2010,8（27）：316-324.

［5］方正新，張立新.S波段圓波導(dǎo)縫隙全向天線的設(shè)計［J］.火控雷達(dá)技術(shù),2013,1（42）：79-81.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.191

作者簡介：魏文博（1979-）， 男，陜西寶雞人，博士，高級工程師，主要從事雷達(dá)總體設(shè)計及天線技術(shù)研究。