基于HFSS的漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的口徑場(chǎng)診斷

劉熠志

摘要：介紹HFSS在漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線口徑場(chǎng)診斷中的應(yīng)用，通過(guò)合理的子網(wǎng)格設(shè)置仿真得到輻射長(zhǎng)槽上精確的口徑場(chǎng)。采用提取的口徑場(chǎng)分布反演得到天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，將其與仿真得到的方向圖相比，非常吻合，證明這種診斷方法正確有效。根據(jù)口徑場(chǎng)診斷結(jié)果，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合。

關(guān)鍵詞：HFSS； 漏波長(zhǎng)槽； 波導(dǎo)天線； 口徑場(chǎng)； 診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：TN820.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2018）01-0070-04

Abstract： The application of HFSS in aperture field diagnosis of leaky-wave long slot waveguide is introduced. The accurate aperture field of radiant long slot is obtained through reasonable sub-grid setting simulation. The antenna far-field pattern is obtained using the inversion of extracted aperture field distribution， which is very consistent with the pattern obtained by simulation. It is proved that the diagnosis method is correct and effective. According to the diagnostic results of aperture field， the antenna structure is adjusted and optimized to achieve obvious optimization effect. The antenna side lobe is significantly reduced， and the load absorption rate is very consistent with the theoretical design.

Key words： HFSS； leaky-wave long slot； waveguide antenna； aperture field； diagnosis

0 引 言

漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線在波導(dǎo)寬邊開(kāi)有偏離波導(dǎo)寬邊中心線的賦形長(zhǎng)槽，是一種典型的漏波天線形式，具有效率高、帶寬、功率容量高、方向圖控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于宇航、引信等領(lǐng)域。[1-2]然而，漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)難度大，其基本設(shè)計(jì)理論非常經(jīng)典，但設(shè)計(jì)結(jié)果與理論預(yù)期往往存在較大偏差，設(shè)計(jì)效果明顯不及諧振式縫隙陣天線，導(dǎo)致對(duì)漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的研究很難獲得較大的突破。[3-6]

隨著仿真計(jì)算技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步[7]，強(qiáng)大的商用電磁仿真軟件為分析、設(shè)計(jì)天線提供更多的途徑和思路。本文利用HFSS強(qiáng)大的仿真分析能力，跳出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限，對(duì)漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線口徑場(chǎng)進(jìn)行診斷和優(yōu)化。介紹采用HFSS對(duì)漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線口徑場(chǎng)診斷的方法，通過(guò)合理的子網(wǎng)格設(shè)置，仿真得到輻射長(zhǎng)槽上精確的口徑場(chǎng)；根據(jù)口徑場(chǎng)診斷結(jié)果，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合。

1 漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的原理

漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，在波導(dǎo)寬邊開(kāi)有偏離波導(dǎo)寬邊中心線的賦形長(zhǎng)槽，波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪◤拈L(zhǎng)槽處泄漏。通常，漏波天線單位長(zhǎng)度的泄漏率應(yīng)較低，以避免對(duì)波的傳輸相速產(chǎn)生較大擾動(dòng)和天線失配。

漏波天線的特性用復(fù)傳播常數(shù)

α+jβ表示，α為衰減常數(shù)，β為波導(dǎo)內(nèi)相位傳播常數(shù)。當(dāng)α很小時(shí)，可不計(jì)α對(duì)主波束指向的影響，則

式中：θm為主波束偏離波導(dǎo)法線的角度；λ為自由空間波長(zhǎng)；λc為波導(dǎo)截止波長(zhǎng)；λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)。

漏波天線的口徑幅度分布A（z）通過(guò)改變沿漏波結(jié)構(gòu)衰減（泄漏）量α（z）控制。由文獻(xiàn)[8-10]可知，給定A（z）可以計(jì)算出理論α（z），即

同時(shí)，α（z）的大小由天線結(jié)構(gòu)尺寸，主要是賦形長(zhǎng)槽偏離波導(dǎo)寬邊中心的偏移量決定，因此由理論α（z）可設(shè)計(jì)出具體天線結(jié)構(gòu)尺寸。理論上

式中：x為賦形長(zhǎng)槽的偏置量；w為槽寬；a為波導(dǎo)寬邊尺寸；b為波導(dǎo)窄邊尺寸；k為自由空間相位傳播常數(shù)；kc為截止波數(shù)。

2 仿真與優(yōu)化

按照漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的原理設(shè)計(jì)輻射長(zhǎng)槽的初始形狀曲線，在HFSS中通過(guò)多節(jié)折線段逼近該曲線。運(yùn)用sweep操作得到縫隙寬度一定的輻射長(zhǎng)槽，漏波長(zhǎng)槽天線仿真模型見(jiàn)圖2。應(yīng)用口徑場(chǎng)診斷方法的前提條件是仿真計(jì)算能得到準(zhǔn)確的口徑場(chǎng)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要取決于網(wǎng)格劃分設(shè)置。在該模型中，輻射長(zhǎng)槽包含細(xì)小的結(jié)構(gòu)尺寸，因此需要對(duì)輻射長(zhǎng)槽的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，局部網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖3。

口徑場(chǎng)分布提取結(jié)果見(jiàn)圖4。由此可以看出，口徑場(chǎng)仿真值與理論值差別較大。經(jīng)過(guò)深入分析并參考相關(guān)文獻(xiàn)可知：口徑場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)，前低后高，這主要是由長(zhǎng)槽偏移量設(shè)計(jì)誤差造成的；口徑場(chǎng)分布總體上是在理論分布基礎(chǔ)上疊加一個(gè)周期的振蕩分布，該現(xiàn)象是由長(zhǎng)槽內(nèi)產(chǎn)生的高次模干涉引起的，這也與文獻(xiàn)的結(jié)論相吻合。為進(jìn)一步驗(yàn)證口徑場(chǎng)診斷的正確性，由口徑場(chǎng)反演計(jì)算出天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（見(jiàn)圖5），并與仿真得到的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（見(jiàn)圖6）進(jìn)行對(duì)比可知：兩者非常吻合，尤其是主波束和近場(chǎng)副瓣區(qū)間的方向圖幾乎重合，只有在遠(yuǎn)區(qū)柵瓣處柵瓣電平大小有些差別，但柵瓣位置仍是一致的，其原因主要是口徑場(chǎng)反演的方向圖沒(méi)有考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件的影響。

根據(jù)口徑場(chǎng)診斷結(jié)果，提出修正口徑場(chǎng)分布的方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線，解決口徑場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)后仿真得到的修正口徑場(chǎng)分布和方向圖分別見(jiàn)圖7和8。

由圖7和8可知：口徑場(chǎng)分布的對(duì)稱(chēng)性明顯改善，方向圖性能也明顯提高，主瓣內(nèi)不再分裂出臺(tái)瓣。寬頻帶內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)的駐波比仿真值和負(fù)載吸收率仿真值分別見(jiàn)圖9和10。負(fù)載吸收率的仿真值為-13.4 dB，與理論值非常吻合。由此可見(jiàn)，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可達(dá)到明顯的優(yōu)化效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線的精確設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于HFSS的漏波長(zhǎng)槽波導(dǎo)天線口徑場(chǎng)診斷方法，通過(guò)合理設(shè)置仿真模型，準(zhǔn)確提取輻射長(zhǎng)

槽上的口徑場(chǎng)，根據(jù)口徑場(chǎng)對(duì)天線進(jìn)行分析和優(yōu)化。將口徑場(chǎng)分布反演得到的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖與仿真方向圖對(duì)比，二者非常吻合，證明該診斷方法正確有效。優(yōu)化設(shè)計(jì)取得較好的效果，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

實(shí)際的口徑場(chǎng)分布由很多因素決定，包括高次模、長(zhǎng)槽偏置設(shè)計(jì)誤差、設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用條件偏差等，因此實(shí)際的優(yōu)化方法比較復(fù)雜，優(yōu)化難度較大，還有很多優(yōu)化空間有待研究。

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（編輯 付宇靚）