K波段低副瓣波導(dǎo)縫隙駐波陣設(shè)計

楊彥炯

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

波導(dǎo)縫隙陣列天線廣泛地應(yīng)用于雷達系統(tǒng)中[1]，其口徑電場幅度和相位分布能精確控制，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、輻射效率高、功率容量大、可靠性高、損耗小，易實現(xiàn)高功率、高增益、低副瓣、窄波束和賦形波束等設(shè)計要求；其次，波導(dǎo)縫隙饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射口面一體化設(shè)計的平面結(jié)構(gòu)剖面低、結(jié)構(gòu)緊湊，方便與各型載體共形。鑒于以上優(yōu)點，平板波導(dǎo)裂縫陣列天線廣泛應(yīng)用于雷達、通信與導(dǎo)航系統(tǒng)中。目前，在敵我識別和導(dǎo)引頭雷達系統(tǒng)中均采用平板波導(dǎo)縫隙陣列天線[2～3]。

1 理論分析

波導(dǎo)縫隙天線的幅相分布可由縫隙偏置或傾角的大小和方向來控制，按照縫隙位置可分為寬邊偏置縫隙陣、寬邊傾斜縫隙陣、窄邊傾斜縫隙陣。依設(shè)計極化要求，本文中天線采用寬邊偏置縫隙，圖1所示為所涉及陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖及其等效電路[4]。

圖1(a) 平板縫隙的示意圖

圖1(b) 波導(dǎo)縫隙陣列等效電路

采用端饋或者中饋形式且終端短路的波導(dǎo)縫隙天線，其單元間距為λg/2時，此時波導(dǎo)腔體內(nèi)的電場呈駐波狀態(tài)，這種形式的縫隙陣稱為駐波陣。對于偏置縫隙，假設(shè)終端短路板距末端縫隙間距為λg/4時，縫隙總是位于駐波電壓波峰點。駐波陣是一種窄帶天線陣，在進行輻射陣面設(shè)計時，需要根據(jù)帶寬要求劃分適當數(shù)目的子陣。本文中天線帶寬不足1%，無需做子陣劃分。

對于無耗傳輸線，距離負載為d的參考面輸入阻抗為：

式中，Zin(d)為參考面的輸入阻抗，Z0為傳輸線的特性阻抗，Z1為負載阻抗，d為到負載的距離。這樣，歸一化導(dǎo)納為：

其中，y1為負載的歸一化導(dǎo)納。

對于長為Ls的短路線，其歸一化輸入導(dǎo)納為：

那么圖1（b）中的yin1為：

相應(yīng)的，圖1（b）等效電路中yin2為：

以此類推，可以得到開有N個縫隙的波導(dǎo)上的第N個縫隙處的歸一化導(dǎo)納的遞推公式：

由此，可得波導(dǎo)端口處的歸一化導(dǎo)納為：

由式（7）可以看出，由傳輸線理論得到的端口歸一化輸入導(dǎo)納為縫隙歸一化導(dǎo)納y的函數(shù)。

為求得縫隙的歸一化導(dǎo)納值，利用HFSS仿真得到駐波陣端口的反射系數(shù)S11，反射系數(shù)和導(dǎo)納之間有如下關(guān)系：

用式（7）和式（8）建立方程可得：

求解方程f(y)=0，即可得到各縫隙歸一化導(dǎo)納值y。

2 導(dǎo)納參數(shù)提取

駐波陣縫隙間距d=λg/2，d初始值取為9mm（中心頻率24GHz，選取BJ260標準波導(dǎo)對應(yīng)波導(dǎo)波長λg=18.11mm），d最終取值可根據(jù)仿真結(jié)果做微調(diào)。使用Ansoft HFSS仿真軟件，建立N元（本文取16）縫隙陣仿真模型，縫隙尺寸完全相同，且相鄰縫隙交替偏置。

通常寬邊偏置縫主要提取縫隙偏置量和縫隙長度兩個參數(shù)，提取的步驟如下：

（1）固定縫隙偏置量offset1，以縫隙長度long1做參數(shù)掃描，S11為因變量，找到S11最小時對應(yīng)的縫隙長度long1，即可得到縫隙偏置offset1縫隙長度為long1時最小值S11min1。

（2）調(diào)整縫隙偏置為offset2，固定其值不變，重復(fù)上述步驟（1），即可得到縫隙偏置offset2，縫隙長度long2時S11的最小值S11min2。

根據(jù)指標要求副瓣電平≤-27dB，單元的幅度分布按副瓣-30dB泰勒分布計算，單元數(shù)即縫隙數(shù)目為30個，等副瓣數(shù)為5[5]，可得到各縫隙理論幅度分布如圖2。

圖2 各縫隙理論幅度分布

圖3 縫隙偏置與電導(dǎo)關(guān)系曲線

圖4 各縫隙電導(dǎo)分布曲線

上節(jié)中公式已經(jīng)將電導(dǎo)與S11建立關(guān)系，本節(jié)使用仿真軟件建立了縫隙偏置量與S11之間關(guān)系，由此可將縫隙偏置量與電導(dǎo)進行曲線擬合，得到擬合曲線如圖3所示。根據(jù)計算得到的縫隙理論幅度分布值可得各縫隙電導(dǎo)分布曲線如圖4所示。

3 仿真結(jié)果

確定縫隙各參數(shù)后，建立仿真模型，如圖5所示，共3層。最上層為輻射縫隙，縫隙總數(shù)為30×16，即方位30個縫隙，俯仰16行縫隙；中間層為寬邊輻射縫隙傳輸波導(dǎo)；最下層為平板波導(dǎo)縫隙饋電波導(dǎo)。優(yōu)化陣面各可調(diào)參數(shù)，得到滿足指標的仿真結(jié)果，如圖 6～圖 8所示分別給出頻率 23.95GHz、24GHz、24.05GHz的方位面方向圖。

圖5 天線仿真模型

圖6 23.95GHz方位面仿真方向圖

圖7 24GHz方位面仿真方向圖

圖8 24.05GHz方位面仿真方向圖

圖9 K波段平板天線實物

圖10 23.95GHz方位面實測方向圖

圖11 24GHz方位面實測方向圖

4 實物測試

按圖5模型加工天線陣面（圖9），天線最終尺寸為275mm×198mm×15.2mm，圖10～圖12為方向圖測試曲線。表2為天線陣面仿真結(jié)果與實測結(jié)果比對，可見天線波束寬度仿真與實測結(jié)果吻合；天線左副瓣仿真與實測結(jié)果吻合，但右副瓣抬高，為加工誤差引起；實測增益小于仿真增益為比對法測試誤差所致。

圖12 24.05GHz方位面實測方向圖

表2 天線仿真實測結(jié)果比對

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一個K波段低副瓣波導(dǎo)寬邊縫隙駐波陣天線，理論計算結(jié)合仿真分析，得到設(shè)計副瓣電平對應(yīng)縫隙參數(shù)。對整體模型進行優(yōu)化設(shè)計，得到滿足指標設(shè)計結(jié)果。