X波段低副瓣波導(dǎo)窄邊縫隙行波陣設(shè)計

孟 洋

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引言

波導(dǎo)縫隙陣列天線是從1940年出現(xiàn)并發(fā)展起來的，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。隨著對雷達(dá)系統(tǒng)抗干擾要求的日益增強(qiáng)，要求天線具有低副瓣的性能，而波導(dǎo)縫隙陣列天線是一種理想的天線形式[1-2]。本文設(shè)計的背景就是船舶交通管理(VTS)雷達(dá)系統(tǒng)，作為VTS雷達(dá)系統(tǒng)的前端，天線性能的好壞直接影響整個雷達(dá)系統(tǒng)[3]。

波導(dǎo)縫隙陣列天線設(shè)計是縫隙傾角、縫隙切深、縫隙間距等主要參數(shù)的確定。設(shè)計關(guān)鍵是建立縫隙電導(dǎo)函數(shù)與天線參數(shù)的關(guān)系，并確定天線初步尺寸。在Ansoft HFSS仿真軟件中進(jìn)行建模仿真，并優(yōu)化天線參數(shù)，直至所有指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

1 理論分析

窄邊傾斜縫隙可等效為并聯(lián)導(dǎo)納電路，縫隙導(dǎo)納已計入外部互耦，表示如下：

已知第i個縫隙的歸一化電導(dǎo)可表示為：

(1)

?。?/p>

(2)

則有：

(3)

推導(dǎo)需要考慮波導(dǎo)損耗時Gi的表達(dá)式。設(shè)波導(dǎo)內(nèi)行波功率傳輸距離d后減小到之前的q倍(q=e-2αd，其中α表示波導(dǎo)衰減常數(shù))。根據(jù)波導(dǎo)縫隙等效陣列電路，可得下列各遞推關(guān)系式：

(4)

(5)

天線效率：

定義為天線的總輻射功率Pr與輸入功率P1之比。將天線效率的表達(dá)式代入式(2)有：

(6)

天線的效率η與匹配負(fù)載的相對吸收功率r有如下關(guān)系：

(7)

亦可得到η的表達(dá)式：

(8)

(9)

(10)

(11)

近似認(rèn)為每個縫隙的相對輻射功率相同，有：

(12)

聯(lián)立式(11)(12)得：

(13)

匹配負(fù)載的相對吸收功率r可用網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)表示為：

(14)

假設(shè)電壓駐波比為1且天線無損耗，式(13)可化為：

(15)

上式中A=10log10|S21|。

2 導(dǎo)納參數(shù)提取

對于行波陣而言，各個縫隙之間的間距d≠λg/2，且sinθ=λ/λg-λ/2d。d的初始值取為25 mm，可根據(jù)仿真結(jié)果做出微調(diào)。用Ansoft HFSS仿真軟件，建立由12個縫隙構(gòu)成的波導(dǎo)縫隙陣仿真模型。選取BJ100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，波導(dǎo)上縫隙尺寸完全相同，且相鄰縫隙交替倒向。

通常窄邊斜縫主要提取縫隙傾角和縫隙切深這兩個參數(shù)，提取的步驟如下：(1)固定縫隙傾角α1不變，以縫隙切深qt為自變量進(jìn)行參數(shù)掃描，S21為因變量，找到S21最小時對應(yīng)的縫隙切深qt1，即得到縫隙傾角為α1，縫隙切深為qt1時S21的最小值S21min1。(2)調(diào)整縫隙傾角為α2并固定其值不變，重復(fù)上述步驟，即可得到當(dāng)縫隙傾角為α2，縫隙切深為qt2時S21的最小值S21min2。(3)預(yù)估縫隙傾角的大致范圍，導(dǎo)納參數(shù)提取如表1所示。

根據(jù)指標(biāo)要求副瓣電平≤-32 dB，單元幅度分布采用33 dB的泰勒分布，單元個數(shù)為226個，等副瓣數(shù)為7[5]，可由MATLAB計算得到電導(dǎo)分布的理論值。上文已經(jīng)將電導(dǎo)值與S21建立關(guān)系，根據(jù)表1可將縫隙傾角和縫隙切深分別與電導(dǎo)進(jìn)行曲線擬合。縫隙傾角與電導(dǎo)關(guān)系曲線如圖1所示。根據(jù)計算得到的電導(dǎo)分布值可得各縫隙電導(dǎo)分布曲線，如圖2所示。經(jīng)過Ansoft HFSS參數(shù)掃描發(fā)現(xiàn)，縫隙切深在S21取最小值時基本不變，在本仿真模型中為3.3mm。由圖1—2易知各縫隙的傾角，即可在Ansoft HFSS中建立天線的仿真模型。

圖2 各縫隙電導(dǎo)分布曲線

3 仿真結(jié)果

確定天線的各個參數(shù)后，即可進(jìn)行建模仿真。仿真結(jié)果如圖3—6所示。圖3—5分別給出了天線工作在9.38 GHz、9.41 GHz、9.44 GHz時的方位面方向圖和俯仰面方向圖。圖6是天線電壓駐波比的仿真結(jié)果，天線的指標(biāo)要求均得到滿足。

圖3 9.38 GHz方位面方向

圖4 9.41 GHz方位面方向

圖5 9.44 GHz方位面方向

圖6 天線電壓駐波比仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文介紹了波導(dǎo)窄邊縫隙行波陣天線的設(shè)計方法，對波導(dǎo)縫隙天線進(jìn)行了理論分析，將Ansoft HFSS仿真軟件和MATLAB相結(jié)合，得到縫隙導(dǎo)納函數(shù)，通過曲線擬合進(jìn)而得到波導(dǎo)縫隙天線的縫隙傾角等關(guān)鍵參數(shù)，并在HFSS中建模。