一種寬帶單脊波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：基于一維相掃的寬帶寬掃描角相控陣天線的需求，設(shè)計(jì)一種工作于Ku波段的單脊波導(dǎo)寬邊縱縫天線，使用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到天線具體參數(shù)。為增大帶寬將縫隙劃分為多個子陣，采用多層相同尺寸的脊波導(dǎo)垂直互聯(lián)，并用E-T波導(dǎo)功分器為每個子陣分區(qū)饋電，從而實(shí)現(xiàn)特定能量比的饋入。該文設(shè)計(jì)的單脊波導(dǎo)寬邊尺寸是同頻段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)寬邊尺寸的73%，通過電磁仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性，天線在14.6～16.4 GHz頻率范圍內(nèi)達(dá)到1.8 GHz的帶寬，相對帶寬為11.6%，VSWR<1.7，副瓣電平小于-20 dB，增益大于15 dB。

關(guān)鍵詞：Ku波段;單脊波導(dǎo);縫隙天線;寬帶;子陣劃分

中圖分類號：TN823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0139-04

Abstract： A single ridge waveguide wide edge longitudinal slot antenna operating in the Ku band was designed based on the requirements of a one-dimensional phase scanning broadband wide-angle phased array antenna. The structure was optimized using the three-dimensional electromagnetic simulation software HFSS to obtain the specific parameters of the antenna. In order to increase bandwidth， the gaps are divided into multiple sub arrays， and multi-layer ridge waveguides of the same size are vertically interconnected. E-T waveguide power dividers are used to feed each sub array partition， thereby achieving specific energy ratio feeding. The wide edge size of the single ridge waveguide designed in this article is 73% of the standard rectangular waveguide wide edge size in the same frequency band. The feasibility of the design method was verified through electromagnetic simulation. The antenna achieves the bandwidth of 1.8 GHz in the 14.6～16.4 GHz frequency range， the relative bandwidth is 11.6%， the sidelobe level is less than -20 dB， and the gain is greater than 15 dB.

Keywords： Ku band; single ridged waveguide; slot antenna; broadband; subarray division

波導(dǎo)縫隙天線因其損耗低、口徑分布容易控制、易于實(shí)現(xiàn)低副瓣、功率容量高、機(jī)械強(qiáng)度好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)和通信領(lǐng)域，成為一維相掃的相控陣天線的優(yōu)選方案之一。傳統(tǒng)的諧振式波導(dǎo)縫隙天線其工作頻帶受到縫隙數(shù)目的限制，通?？p隙數(shù)目越多則帶寬越窄[2]，這也嚴(yán)重影響了雷達(dá)的工作性能。因此，需要對增大波導(dǎo)縫隙天線的工作帶寬進(jìn)行設(shè)計(jì)。

單脊波導(dǎo)示意圖如圖1所示，通過在波導(dǎo)寬邊加一定寬度和高度的金屬脊，使其不僅具有了矩形波導(dǎo)縫隙天線的一系列優(yōu)點(diǎn)，而且在同一頻率下，單脊波導(dǎo)的寬邊尺寸更小，對于相控陣天線的寬角掃描很有益處。在同樣頻帶的情況下，脊波導(dǎo)橫截面的尺寸一般可以減小到矩形波導(dǎo)的70%左右[3]。

本文利用單脊波導(dǎo)縫隙天線作為天線單元，并提出了增大單脊波導(dǎo)縫隙天線帶寬的設(shè)計(jì)方法，對饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在HFSS中對輻射波導(dǎo)和饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體仿真優(yōu)化。

圖1 單脊波導(dǎo)示意圖

1 理論分析及設(shè)計(jì)

1.1 波導(dǎo)縫隙天線的工作原理

波導(dǎo)縫隙天線是指在波導(dǎo)寬邊或窄邊開有縫隙的天線，由于縫隙切斷了波導(dǎo)的表面電流，因此，會向外輻射能量[4]。一根波導(dǎo)上規(guī)則排列的多個縫隙可構(gòu)成波導(dǎo)縫隙線陣天線，由于其具有增益高、口徑分布容易控制的優(yōu)勢，而被廣泛應(yīng)用在低副瓣天線的設(shè)計(jì)中。波導(dǎo)寬邊縱縫天線示意圖和等效電路如圖2所示。

（b） 等效電路

圖2 波導(dǎo)寬邊縱縫天線示意圖和等效電路

根據(jù)縫隙單元間距和饋電方式的選擇，波導(dǎo)縫隙線陣天線可分為駐波陣和行波陣[5]。采用端饋或中饋且終端短路的波導(dǎo)縫隙線陣，當(dāng)縫隙間距為？姿g /2時，波導(dǎo)腔內(nèi)的電場分布呈駐波狀態(tài)叫做駐波陣，也就是諧振式縫隙陣，此時每個縫隙均處于諧振狀態(tài)[6]。短路板距末端縫中心的距離為？姿g /4，縫隙總是處于駐波電壓的波峰點(diǎn)。而對于寬邊縱縫天線由于每隔？姿g /2波導(dǎo)壁表面電流的相位反相，因此相鄰縱向偏置縫應(yīng)位于波導(dǎo)寬邊中心線的兩側(cè)[7]。

駐波陣是一種窄帶天線，當(dāng)每根輻射波導(dǎo)上的縫隙數(shù)目越多時帶寬越窄，這是因?yàn)楣ぷ黝l率偏離中心頻率時，輸入端的駐波和天線口徑場都會惡化，即輸入端駐波比和天線口徑幅相誤差增大，進(jìn)而導(dǎo)致天線的副瓣電平抬高，增益下降[8]。本文設(shè)計(jì)的為16縫隙的寬邊縱縫駐波陣，其帶寬較窄，因此需要進(jìn)行增大帶寬的設(shè)計(jì)。

1.2 單脊波導(dǎo)及縫隙參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的波導(dǎo)縫隙線陣天線是某一維相掃的平面相控陣天線的天線單元，因此需要滿足相控陣天線的要求，對于相控陣天線單元間距的設(shè)計(jì)應(yīng)該避免柵瓣的出現(xiàn)。抑制柵瓣出現(xiàn)的條件為式（1）[9]所示

式中：d為陣列單元間距，？姿為空氣波長，？茲max為天線掃描角度。

如若想要獲得較大的相掃角度？茲max，那么較小的單元間距d才是關(guān)鍵，在一定的工作頻率和單元間距下，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)是截止的，不能滿足需求，因此為了壓縮寬邊尺寸，需要采用單脊波導(dǎo)。

天線工作在Ku波段，為了滿足相控陣天線的要求，同時避免高次模的產(chǎn)生，在三維電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，得到脊波導(dǎo)的各項(xiàng)尺寸參數(shù)見表1。

表1 單脊波導(dǎo)尺寸參數(shù) mm

對于波導(dǎo)寬邊縱縫歸一化導(dǎo)納是最重要的特性參數(shù)，它由縫隙偏離寬邊中心線的距離和縫隙諧振長度決定[10]，在HFSS中建立孤立縫隙的提參模型，縫隙的寬度取為1.6 mm，利用HFSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能經(jīng)過大量仿真便可以得到2條重要的關(guān)系曲線，也就是縫隙的偏置距離和諧振長度的關(guān)系曲線，以及偏置距離和歸一化導(dǎo)納的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 縫隙偏置距離和諧振長度的關(guān)系曲線

圖4 縫隙偏置距離和歸一化導(dǎo)納的關(guān)系曲線

選定單根單脊波導(dǎo)天線陣列的縫隙數(shù)目為16個，采用-25 dB的泰勒幅度加權(quán)，即可得到每個縫隙的歸一化激勵電流值，為展寬帶寬采用將大陣劃分為多個子陣的方法，本文劃分為4個子陣，每個子陣4個縫隙。激勵電流值沿中心對稱分布，天線結(jié)構(gòu)和縫隙排布也呈對稱形式，因此，在HFSS中對天線進(jìn)行建模仿真時可以只考慮一邊8個縫隙從而簡化設(shè)計(jì)流程[11]。

每個子陣采用中心饋電，兩端為短路板，在每個子陣中各個縫隙的歸一化導(dǎo)納值滿足式（2）

1.3 饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

16縫隙的陣列天線單元為增大帶寬劃分為4子陣后，每個子陣均需要進(jìn)行單獨(dú)饋電，必然造成饋電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜[13]，為使16縫隙仍能實(shí)現(xiàn)泰勒加權(quán)后的方向圖形式，每個子陣需要波導(dǎo)功分器進(jìn)行特定能量比饋入。

由于相控陣天線單元間距的限制，采用多層相同尺寸的脊波導(dǎo)對縫隙子陣進(jìn)行饋電，功分器采用E面T型脊波導(dǎo)功分器，通過控制金屬膜片偏移的位置改變輸出端口的功率比，4個子陣的功率比為1∶3.25∶3.25∶1。對饋電脊波導(dǎo)加入倒角和1/4波長階梯并不斷仿真迭代優(yōu)化參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)較小的電壓駐波比。由于T型結(jié)的引入，每個子陣的相位將不再相同，通過整體移動T型結(jié)的位置達(dá)到補(bǔ)償相位的目的。圖5、圖6是饋電結(jié)構(gòu)的示意圖，圖7是4子陣16縫隙直線陣的示意圖。

1.4 仿真結(jié)果及分析

由前面已經(jīng)得到的單脊波導(dǎo)各項(xiàng)參數(shù)和縫隙的位置參數(shù)在HFSS中建立天線模型，由對稱性同樣分析直線陣天線結(jié)構(gòu)的一半，應(yīng)用對稱的邊界條件并進(jìn)行仿真分析。圖8給出了16隙天線的電壓駐波比（VSWR）曲線。

從仿真結(jié)果可知，該天線單元在14.6～16.4 GHz的頻帶范圍內(nèi)滿足VSWR<1.7，在中心頻率15.5 GHz時VSWR<1.4，均優(yōu)于VSWR<2的預(yù)期目標(biāo)。

天線在最低頻率、中心頻率和最高頻率的方向圖如圖9所示，增益均達(dá)到了15 dB，在中心頻點(diǎn)15.5 GHz處的H面3 dB波束寬度為5.1°，增益為15.85 dB。在最低頻率和中心頻率的副瓣電平都小于－20 dB，在最高頻率16.4 GHz處副瓣電平有所升高，達(dá)到了－15 dB。所設(shè)計(jì)的單脊波導(dǎo)縫隙天線直線陣能夠滿足寬帶工作要求，應(yīng)用4子陣16縫隙的線陣天線對于提高平面陣列的帶寬和增益具有非常重要的意義[14]。

2 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的Ku波段寬帶單脊波導(dǎo)縫隙天線具有尺寸小、帶寬寬、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，通過泰勒幅度加權(quán)實(shí)現(xiàn)低副瓣，將大陣劃分為多個子陣減少了每個子陣的縫隙數(shù)量，增大了工作帶寬，為了便于饋電使用垂直互聯(lián)分區(qū)饋電的方法，實(shí)現(xiàn)了在工作頻率內(nèi)VSWR→1.7，相對帶寬達(dá)到了11.6%，該天線陣適用于一維相掃的寬帶寬掃描角平面相控陣天線，對天線的研究和設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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