X波段平板波導裂縫陣列天線設計

陳曉鵬，石 磊，簡 玲

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

波導裂縫天線的原理是在波導寬邊或窄邊上開裂縫來切斷波導壁上的電流，產生向外輻射的能量。波導裂縫的輻射強度和相位可由裂縫偏置或傾角的大小和方向來控制。因此，波導裂縫通過適當排列可以組成線陣或面陣，具有增益高、效率高、口徑分布容易控制、性能穩(wěn)定、結構簡單緊湊、安裝方便的特點，在許多雷達和通訊設計領域被廣泛選擇[1]。提取裂縫結構參數(shù)與幅、相電參數(shù)之間的關系是波導裂縫天線設計的重點，早期主要通過加工、測試試驗件來提取。這會耗費較多的成本，而且時間也長。目前，電磁仿真軟件在波導裂縫參數(shù)提取中已經(jīng)被經(jīng)常使用，極大地提高了天線設計的效率。在波導裂縫天線的設計中，通常假定開縫波導的衰減常數(shù)與標準波導相同，這會導致設計結果出現(xiàn)偏差。本文采用電磁仿真軟件和傳統(tǒng)設計理論相結合的方法，確定了開縫波導的衰減常數(shù)。在設計過程中利用仿真軟件計算出天線近場的口徑分布，與理論口徑分布比較后對裂縫參數(shù)進行調整優(yōu)化，達到理想的設計精度。在天線的結構設計上，本文采用波導寬邊裂縫作為平板裂縫天線的輻射單元，將所有裂縫在一塊平板上一起加工，保證了裂縫間的位置精度。采用同軸接頭內芯插入波導寬邊的方式饋電，易于安裝，質量輕。

1 理論計算

天線方向圖指標要求方位面波束寬度為1.5°，副瓣小于-26 dB，增益不小于29.5 dBi。根據(jù)指標要求設計天線由4根波導組陣，每根波導在寬邊上開68個裂縫，裂縫間距選取0.472λg，λg為中心頻點的波導波長，采用副瓣電平為-30 dB、等副瓣個數(shù)為4的泰勒分布。裂縫激勵幅度分布如圖 1所示。

圖1 裂縫幅度分布

設定波導末端匹配負載相對吸收功率百分比r，波導衰減常數(shù)σ。根據(jù)裂縫的幅度分布計算出天線效率和不同裂縫對應的電導分布[2]：

Effects of metals in cosmetics on human health 2 10

(1)

(2)

其中，Ei是第i個裂縫的激勵幅度；q=e-2δd，表示波導內傳輸?shù)男胁ń?jīng)過距離d以后功率減少到原來的q倍；η表示天線效率。

面陣中裂縫的輻射性能不同于孤立裂縫，因此提取裂縫電導參數(shù)需要考慮裂縫間的互耦因素[3]。在電磁仿真軟件中建立由4根波導裂縫線源組成的平板裂縫面陣，裂縫數(shù)N取目標設計線源裂縫的半數(shù)，單元間距和線源間距保持一致。改變裂縫偏離波導中心線的距離即偏置量，提取仿真出的S參數(shù)，根據(jù)式(4)計算出不同偏置量對應的電導值，并記錄下對應的裂縫長度。模型中不同位置的裂縫處于不同的互耦環(huán)境，公式(4)計算的是所有裂縫的平均電導值。

三是流域取水總量控制。建立有太湖流域特色的水資源開發(fā)利用控制紅線，除了在流域和行政區(qū)域應實行取水總量控制制度外，按照流域水資源實際，明確了太湖等流域重點河湖也實行取水總量控制，將河道外取水戶及水閘、泵站等河道內取水戶納入總量控制，并實時監(jiān)控，從流域層面平衡和協(xié)調省際用水需求。

ηa=1-ηr-ηL

(3)

式中，ηa表示仿真出的損耗能量百分比，ηr表示仿真出的天線輻射效率，ηL表示仿真出的負載吸收率。由公式(1)和公式(3)多次嘗試，可以確定出開縫波導的衰減常數(shù)δ。由公式(2)計算出波導裂縫陣列的電導分布如圖 2所示。

圖2 裂縫電導分布

2 裂縫電導參數(shù)提取

在規(guī)則的矩形金屬波導中，主模TE10模的衰減常數(shù)包括導體損耗和介質損耗兩部分。由波導壁的表面電阻和波導管中填充的介質損耗角可以用解析法計算出，也可以通過查閱標準波導參數(shù)表格得到。盡管單個裂縫的存在幾乎不會改變波導內傳輸?shù)哪Ｊ?，但是開有裂縫陣列的波導管其損耗和波導波長都與標準波導有區(qū)別。因為裂縫輻射出電磁能量，所以裂縫波導的損耗一定比標準波導的損耗大。準確獲得開縫波導的衰減常數(shù)是困難的，但是可以通過仿真來獲得開縫波導的輻射效率和負載吸收率，進而計算出開縫波導的衰減常數(shù)，如式(3)。

(4)

電導與裂縫偏置量的關系如圖3所示。裂縫偏置量與裂縫長度的關系如圖4所示。

根據(jù)裂縫電導分布、偏置量與裂縫電導的關系、偏置量與裂縫長度的關系，可以確定陣列天線中每個裂縫的偏置量和長度，從而確定整個面陣的尺寸參數(shù)。在仿真軟件中建立模型，并進行仿真，提取近場的幅相仿真結果，與理論幅相分布進行比較，對偏差較大的裂縫調整其偏置量和裂縫長度。經(jīng)過反復驗證，最終得到裂縫陣列的偏置量和裂縫長度如圖5和圖6。

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3 裂縫尺寸參數(shù)計算

2012年與2011年總體施工情況對比如下，在平均井深同比增加61m的情況下，完成井總量增加33口，鉆井總進尺增加107 044m；鉆機月速提高687m／臺月，同比提高22.15%；建井周期縮短2d，同比減少17.12%。

圖3 電導與偏置量的關系

圖4 偏置量與裂縫長度的關系

圖5 裂縫單元偏置量分布

圖6 裂縫單元的長度分布

4 同軸波導變換和吸收負載設計

本文所設計的波導裂縫陣列天線，其所有裂縫在一塊平板上，4根波導腔距離較近，常規(guī)的同軸波導轉換接頭難以保證天線結構尺寸的緊湊性?？紤]到天線結構設計要求，設計新的同軸波導變換。在面陣不開縫的一面，將饋電探針插入波導寬邊，如圖7所示。頻帶內電壓駐波比仿真結果如圖8所示。

圖7 同軸波導轉換器仿真模型

傳統(tǒng)波導負載需要法蘭盤與波導管連接。本設計平板波導裂縫天線4根線源間距較小，為了減小負載的尺寸和質量，采用了如圖9定制的羰基鐵塊負載，長度小于40 mm，直接與波導壁膠接固定。

圖8 同軸波導轉換器的仿真駐波

圖9 波導末端吸收負載

5 天線面陣仿真結果

根據(jù)獲得的裂縫尺寸參數(shù)建立仿真模型，饋電端口采用寬邊饋電的同軸波導變換。天線方向圖仿真結果如圖10所示。

圖10 仿真結果

6 結束語

本文設計的X波段平板波導裂縫陣列天線采用經(jīng)典電磁理論與高頻電磁仿真軟件相結合的設計方法，通過仿真出的天線輻射效率和負載吸收效率推算開縫波導的衰減常數(shù)，進而計算出目標天線的電導分布。通過仿真軟件提取互耦狀態(tài)下不同偏置量對應的諧振長度和電導，計算出目標天線裂縫尺寸參數(shù)分布。將4根裂縫波導加工在一塊整板上，同軸波導變換與天線面陣一體設計，吸收負載與波導管膠接固定，降低了天線的尺寸和質量。仿真結果顯示天線各項指標滿足總體技術指標要求。