某自行高炮波導縫隙天線仿真研究

范 薇，丁天寶，余繼良

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

在對某自行高炮搜索雷達天線電磁環(huán)境進行分析時，搜索雷達天線建模是極其重要的。而波導縫隙天線陣是搜索雷達天線的關鍵技術。

波導縫隙天線陣具有結構緊湊輻射效率高、功率容量大和可靠性高等優(yōu)點，在微波毫米波應用性系統(tǒng)中得到廣泛應用。但是由于波導縫隙的相關結構參數(shù)計算比較復雜，從而增加了波導縫隙天線陣列設計的難度和成本。波導縫隙天線陣的設計方法通常有兩種：一種是實驗測量方法，另一種是理論計算方法。實驗測量法具有設計簡單和計算量小等優(yōu)點，但需要加工多個縫隙進行測量且對測量系統(tǒng)要求很高，再加上縫隙尺寸的精度要求使得加工成本較高。理論計算方法主要是基于Elliot理論，利用各縫隙的各單元縫隙的自導納和縫隙間的互耦阻抗、歸一化導納等約束條件求解天線的結構參數(shù)。理論計算方法對于較復雜的波導縫隙天線，由于其縫隙較多，使得仿真計算時間過長甚至無法實現(xiàn)天線的仿真。

筆者在本文中，提出了利用偶極子陣列天線代替波導縫隙天線進行仿真，求得天線遠場方向圖。相比其他分析方法，求解過程簡單明了、物理意義清晰，具有計算量小和仿真速度快等優(yōu)點。最后采用該方法仿真了工作頻率為10 GHz的4單元矩形波導縫隙天線，仿真結果表明該方法比較有效。

1 縫隙天線理論基礎

縫隙天線是開在薄金屬板上的開槽天線，根據(jù)巴俾涅原理，金屬板上的縫隙天線可用一個互補(對偶)的偶極子天線來分析。因此運用偶極子代替縫隙將得到縫隙天線的輻射場[1]?？p隙天線及其互補的偶極子如圖1所示。

若在縫隙中心處加上電壓源V0，則在縫隙口面就形成垂直于長邊的電場分布Es(Z)，口面電場近似為正弦分布。

(1)

式中：Esm=V0/W,W為縫隙寬度；l為縫隙長度；β為波導內基模的傳播矢量。

磁流線密度為：Jm=-n×Es，

對這樣的縫隙天線，有一個互補的偶極子天線與之對應。偶極子的輻射電場表示如下:

(2)

式中:j為虛數(shù)單位；r為空間任一點的位置矢量；exp(-jβr)表示空間的相位變化；θ為傳播矢量β與坐標軸z的夾角；η為媒質的特性阻抗;下標d表示dipole偶極子。

設在偶極子電流波腹Idm處的切向磁場為Hdm，由安培環(huán)路定律得:

Idm=∮Hdmdl=2HdmW

則得:

(3)

由電磁對偶關系可得縫隙天線產(chǎn)生的磁場為:

(4)

縫隙天線產(chǎn)生的電場為:

(5)

式中，Es m是縫隙口面上電場腹點值，因是細縫(W?l),在Es m處的電壓為V0=Es mW。

由式(3)和(5)可見，波導縫隙天線的方向圖與對偶的偶極子方向圖相同。

通過以上公式的推導，在理論方面，充分驗證利用偶極子陣列仿真分析波導縫隙天線是正確的。

2 矩形波導縫隙天線仿真模型

2.1 基于Elliot理論對矩形波導縫隙天線建模

本文主要采用CST的微波工作室(MWS)對一個單根波導縫隙天線進行建模和仿真，波導內截面尺寸為a=22.86 mm,b=10.16 mm,波導壁厚t=1 mm，裂縫寬度W=1 mm。本文仿真的單根波導縫隙天線有4個單元，縫隙之間的距離為1/2λg(λg為波導波長)；輻射波導短路板離最近的輻射縫隙距離為1/4λg，基于Elliot理論,采用泰勒口徑分布進行饋電，各個縫隙等幅激勵[2-4]。經(jīng)過計算求得各個縫隙單元的縫隙偏置和諧振長度，計算結果如表1所示。

表1 4單元波導縫隙天線縫隙的諧振長度及偏置距離

根據(jù)以上數(shù)據(jù)在CST微波工作室中建立矩形波導縫隙天線仿真模型，其三維立體效果圖如圖2所示。

2.2 基于偶極子陣列對矩形波導縫隙天線建模

基于縫隙天線理論基礎，運用偶極子代替矩形波導縫隙天線中的各縫隙建立偶極子陣列模型，此模型等效于矩形波導縫隙天線模型。偶極子及偶極子陣列仿真模型如圖3所示，這個天線陣列有4個偶極子單元，每個陣列單元長為l=0.5λ，半徑a?λ，λ為有效波長，該陣列的陣列單元平行于z軸放置，陣列單元之間的間距與上述4單元波導縫隙天線縫隙間的距離相同[5]。

3 仿真與結果分析

3.1 波導縫隙天線遠場方向圖仿真

在4單元矩形波導縫隙天線仿真模型中，波導壁為理想電導體，端口采用波導端口，饋電方式采用端饋，仿真頻率為10 GHz。對模型進行仿真計算，得到遠場方向圖如圖4所示。

3.2 偶極子陣列天線仿真計算

對上述已建立的陣列天線仿真模型，在相同的CST環(huán)境中(仿真頻率為10GHz)將各個偶極子端口設為離散端口并以高斯脈沖信號激勵，偶極子端口阻抗與波導縫隙阻抗相同都為50 Ω。仿真得到天線遠場方向圖如圖5所示。

3.3 仿真結果分析

由圖4和圖5可以看出，在相同的電磁仿真環(huán)境下，偶極子陣列天線E面、H面遠場方向圖與波導縫隙天線E面、H面遠場方向圖基本一致。差別只是偶極子陣列天線遠場增益為12.78 dB,波導縫隙天線遠場增益為12.08 dB。波導縫隙天線遠場增益小于偶極子陣列天線遠場增益0.7 dB，這是因為矩形波導縫隙天線輻射縫隙的導納計算存在誤差，以至于縫隙的諧振長度未達到優(yōu)化程度。通過結果分析可知，運用偶極子陣列天線代替波導縫隙天線這個方法是可行的。

3.4 該方法在工程上的應用體現(xiàn)

從上述4單元波導縫隙天線和偶極子陣列天線的仿真結果可以看出，采用該方法獲得兩天線的遠場方向圖是一致的。因此，本文繼續(xù)采用該方法仿真分析一個4×4的波導縫隙陣列天線，仿真結果充分說明該方法運用在復雜波導縫隙陣列天線建模中是可行的。

3.4.1 波導縫隙陣列天線仿真

根據(jù)前面設計的由4個縫隙單元組成的單根波導縫隙天線理論和仿真結果，在CST微波工作室中建立4×4的面陣天線。圖6、圖7分別表示波導縫隙陣列天線和偶極子陣列天線。對波導縫隙陣中每根縫隙天線一端進行饋電，仿真頻率為10 GHz，不考慮陣列之間的互耦影響，仿真得到遠場方向圖，如圖8(a)所示。偶極子陣列天線在相同的CST環(huán)境中，將各個偶極子端口設為離散端口并以高斯脈沖信號激勵，得到遠場方向圖如圖8(b)所示。

通過上述兩陣列天線初步仿真的結果，可以看出，偶極子陣列天線與波導縫隙陣列天線的遠場增益仍相差0.7 dB。因此，驗證了在復雜波導縫隙陣列天線建模仿真中，運用這個簡化方法在一定誤差范圍內可以得到高效、正確的結果。

4 結 論

本文提出了一種新的計算波導縫隙天線遠場方法。通過對矩形波導縫隙表面電流的合理假設得到縫隙阻抗，將縫隙天線看作偶極子的連續(xù)陣進行仿真分析。本文采用CST微波工作室(MWS)分別對矩形波導縫隙天線、偶極子陣列天線的遠場方向圖進行了仿真分析，結果顯示：兩種天線模型仿真得到的遠場方向圖基本一致。由此說明，利用偶極子陣列模型仿真分析矩形波導縫隙天線不僅能夠滿足波導縫隙天線的輻射特性，而且可以大大降低建模過程的復雜度，并且能很好地滿足工程應用的需求。該方法也可用在工程上后續(xù)的一些電磁兼容問題中。它為下一步搜索雷達天線建模提供了有力依據(jù)，從而為某自行高炮搜索雷達天線電磁環(huán)境的仿真奠定了堅實基礎。

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