一種X波段波導(dǎo)寬邊縫隙天線的設(shè)計(jì)方法

包立琦

(甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)如今天線的形式種類繁多,有各種反射面天線、波導(dǎo)縫隙天線、微帶貼片天線及形式多樣的共面天線，其中波導(dǎo)寬邊裂縫天線是當(dāng)今應(yīng)用較為廣泛的一種主流天線。該種類型的天線相比傳統(tǒng)類型的拋物面天線來說，體積小重量輕且天線增益效率高；雖然微帶天線的體積也可以做的更小，但是微帶天線的耐功率能力和天線效率都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上波導(dǎo)裂縫天線的，而且波導(dǎo)縫隙天線的口徑能量分布可以通過輻射縫的偏置精準(zhǔn)控制，易于實(shí)現(xiàn)天線的低旁瓣性能，正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)勢(shì)的存在，使得波導(dǎo)裂縫天線在各種雷達(dá)天線系統(tǒng)中成為首選的天線形式。

1 X波段波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)思路

波導(dǎo)裂縫平板天線通常由輻射陣面、耦合功分網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)三部分組成，其中輻射陣面作為天線的電磁波輻射界面，由眾多的輻射單元組成，平面波導(dǎo)縫陣天線的輻射單元是波導(dǎo)面上開出的眾多輻射縫。這些輻射縫輻射微波功率的大小，由輻射單元進(jìn)行能量配送的線陣波導(dǎo)以及給這些線陣波導(dǎo)饋電的功分耦合波導(dǎo)所決定，它們一起構(gòu)成了整個(gè)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。輻射縫隙有開在波導(dǎo)寬邊上的縱向橫向輻射縫隙，也有開在波導(dǎo)窄邊上的傾斜縫隙。輻射波導(dǎo)一般是在波導(dǎo)寬邊上開一系列橫縫組成輻射縫，耦合波導(dǎo)則是在波導(dǎo)寬邊中心軸線上開傾斜縫向輻射波導(dǎo)耦合能量。我們今天討論的主要是波導(dǎo)寬邊輻射縫偏置的一種計(jì)算方法[1]。

2.1 裂縫天線輻射、耦合波導(dǎo)尺寸的計(jì)算

依據(jù)陣列天線基本理論，只有當(dāng)相鄰輻射單元之間的距離約為導(dǎo)內(nèi)半波長時(shí)，天線的輻射方向圖才不會(huì)出現(xiàn)柵瓣，此時(shí)天線的增益效率也是比較高的，因此在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線時(shí)首先要確保相鄰輻射縫之間的距離為λg/2mm(λg為波導(dǎo)導(dǎo)內(nèi)波長)，為保證所有輻射縫隙的相位一致，要求相鄰輻射裂縫相互置于波導(dǎo)中心線兩邊；相鄰耦合縫之間的距離也為λg/2mm，為補(bǔ)償此間距的反相問題，在輸入相位一致的情況下，一般都要將相鄰耦合縫的傾角反相排布[2]。

在實(shí)際使用過程當(dāng)中，為了減小天線的厚度和重量，我們一般都會(huì)對(duì)輻射波導(dǎo)、耦合波導(dǎo)及饋電波導(dǎo)的尺寸進(jìn)行計(jì)算并壓縮。為了保證所有輻射縫隙的相位一致，要求每根輻射波導(dǎo)的相位要一致，因此對(duì)耦合波導(dǎo)的寬邊尺寸按下式計(jì)算，用a′表示耦合波導(dǎo)寬邊尺寸，則：

(1)

式中，δ為波導(dǎo)壁厚，mm。

為了保證天線的輻射效率，一般情況下波導(dǎo)壁厚不宜取得太大，在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求之下，我們暫定該天線的壁厚為1mm。根據(jù)該公式計(jì)算滿足要求的輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的尺寸有多種組合，為了使天線的工作帶寬盡可能的大，我們盡量使輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的寬邊尺寸一致，這樣也有利于后期的加工。經(jīng)過計(jì)算我們?cè)O(shè)計(jì)的這款波導(dǎo)裂縫天線輻射和耦合波導(dǎo)尺寸最終確定為(22.08×6)mm。

2.2 天線口徑面幅度分布

天線口徑上的幅度分布是決定天線副瓣電平、增益的關(guān)鍵因素，根據(jù)給定天線的幾何尺寸和外形，可計(jì)算出此天線的增益和波束寬度；根據(jù)安裝空間的限定可知此天線外形接近于半圓，輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的尺寸確定之后就可以畫出此裂縫天線的整體外形和輻射縫的分布情況，天線外形圖1所示[3]。

圖1 平板天線外形布局圖

天線方向圖的加權(quán)方式很多，常用的有泰勒加權(quán)、切比雪夫加權(quán)等方式，本設(shè)計(jì)案例中對(duì)天線的口徑面分布選為taylor加權(quán)圓口徑分布，根據(jù)天線方位面和俯仰面給定的旁瓣指標(biāo)和天線輻射單元縫隙數(shù)，用MATLAB軟件可以仿真計(jì)算出天線的方向圖和每個(gè)輻射縫的電平分布情況：

圖2 天線仿真方向圖

分析圖2可以得知，該仿真方向圖旁瓣參數(shù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，波束寬度與理論計(jì)算基本吻合，各個(gè)輻射縫隙的電流an分布如表1所示。

表1 平板裂縫天線輻射縫電流

(續(xù)表)

2.3 天線變量的設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.3.1 輻射縫寬的計(jì)算

在設(shè)計(jì)波導(dǎo)裂縫天線時(shí)，計(jì)算確定好輻射、耦合波導(dǎo)尺寸之后，就該確定輻射縫寬了，輻射縫隙W的寬度一般要滿足如下要求：

(2)

本方案中輻射縫隙w的寬度經(jīng)過計(jì)算最終確定為2.3mm[4]。

2.3.2 輻射縫長的計(jì)算

表2 輻射縫長度

2.3.3 縫隙偏置的計(jì)算

波導(dǎo)裂縫天線的縫隙偏置直接決定著天線各個(gè)輻射口的能量分布，天線的旁瓣和增益等都與此有直接關(guān)系，以往關(guān)于縫隙偏置的計(jì)算方法是很復(fù)雜的，本方案中縫隙偏置的計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了，適合于縫隙數(shù)目較少的裂縫天線計(jì)算仿真。計(jì)算過程如下：

波導(dǎo)寬邊上的縱向并聯(lián)輻射縫隙的電導(dǎo)為

(3)

根據(jù)平板裂縫天線基本理論，當(dāng)對(duì)輻射波導(dǎo)中心饋電時(shí)，在此根波導(dǎo)上全部輻射裂縫的有源導(dǎo)納之和為2，,對(duì)輻射縫隙的電流分布根據(jù)下式進(jìn)行歸一化

(4)

根據(jù)式(4)可求得K，由下式可以得到各個(gè)縫隙的導(dǎo)納值：

(5)

輻射波導(dǎo)的尺寸確定為22.14mm，根據(jù)公式可計(jì)算出各個(gè)輻射縫隙的偏移量Offset：

(6)

該天線的各個(gè)縫隙的偏置和8根波導(dǎo)的模電壓經(jīng)計(jì)算如表3、表4所示。

表3 輻射縫隙偏置

表4 激勵(lì)波導(dǎo)模電壓

2.4 天線口徑增益的計(jì)算方法

天線的增益大小與天線的方向性系數(shù)有直接關(guān)系，天線增益由天線口徑、工作頻率所決定，根據(jù)天線工程手冊(cè)，波導(dǎo)裂縫天線的增益可按式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中η是天線口徑面效率，在本案例中按0.65計(jì)算。根據(jù)公式(7)計(jì)算天線增益后，為了使增益計(jì)算值更加接近測(cè)試結(jié)果，還需要減去天線的系統(tǒng)插損，本天線的因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以系統(tǒng)損耗大致估算為0.5dB，最終天線的增益經(jīng)計(jì)算滿足指標(biāo)要求[5]。

3 裂縫天線方向圖的仿真優(yōu)化

通過上述一系列方法確定了裂縫天線的各個(gè)參數(shù)尺寸之后，我們?cè)贖FSS或CST中進(jìn)行建模仿真，經(jīng)過不斷的仿真優(yōu)化，該天線的和、差路方向圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 裂縫天線和路方向圖

圖4 裂縫天線差路方向圖

通過縫隙仿真方向圖可以看出：該天線的方向圖符合波導(dǎo)縫隙陣列天線的設(shè)計(jì)理論，和、差路各項(xiàng)參數(shù)滿足指標(biāo)要求，可以進(jìn)行后續(xù)的投產(chǎn)加工工作。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)思路中天線的優(yōu)化多是通過HFSS仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以關(guān)于天線的互耦誤差分析還需要后續(xù)該經(jīng)，以便能夠有精確的理論分析。該平板裂縫天線的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，當(dāng)天線的輻射縫隙較少時(shí)，可以使用該設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。用該方法設(shè)計(jì)加工兩套X波段裂縫天線，經(jīng)過在微波暗室平面近場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，天線輻射性能滿足使用要求，工作帶寬達(dá)到了3.5%，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。