矩形波導(dǎo)寬邊四元斜縫天線的設(shè)計(jì)

O 引言
    波導(dǎo)縫隙天線自上世紀(jì)中葉以來有了很大的發(fā)展，廣泛用于地面、艦載、機(jī)載、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。由于縫隙陣列天線對天線口徑面內(nèi)的幅度分布容易控制，口徑面利用率高，體積小，易于實(shí)現(xiàn)低或極低副瓣等特點(diǎn)，因而使其獲得廣泛使用。在波導(dǎo)縫隙天線的研究方面，許多學(xué)者對縫隙天線理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性的研究工作，因而波導(dǎo)縫隙天線的理論越來越成熟。本文所設(shè)計(jì)的就是基于車載雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的一種小型波導(dǎo)縫隙天線。該天線要求在水平面內(nèi)具有寬波束的特點(diǎn)，能夠覆蓋比較寬的范圍，從而更有效地提高車輛的戰(zhàn)場生存能力。天線需要滿足的性能指標(biāo)如下：a．增益：大于11dB；b．3dB波束寬度：E面為20°，H面為110°；c.副瓣電平：小于-13dB；d．駐波比：小于2。
    為簡化設(shè)計(jì)起見，本設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)寬壁斜縫諧振陣的方式，切割的縫隙數(shù)為4個(gè)，達(dá)到了指標(biāo)要求的效果。

1 理論分析
1．1 串聯(lián)縫隙陣的模型
    由波導(dǎo)內(nèi)的場分布情況可知：當(dāng)波導(dǎo)寬邊中心開斜縫時(shí)，窄縫在縱向不切割電流線；在縫的橫向由于對電場的擾動(dòng)，使得總電場在縫的兩側(cè)發(fā)生跳變，即電壓跳變，故相當(dāng)于在傳輸線上串聯(lián)了一個(gè)阻抗。對中心饋電的諧振線陣模型來說，假設(shè)波導(dǎo)壁上開有Ⅳ爪斜縫，縫與縫中心間距λg／2，為取得同相激勵(lì)，相鄰縫交叉傾斜放置，波導(dǎo)末端短路板距終端縫隙λg／2，以使縫隙中心處于電壓或電流最大值位置，線陣模型如圖1所示。

    其等效電路如圖2所示。

    圖中所示均為歸一化的等效電阻。
1．2 縫隙特性參數(shù)的分析
    在天線工作頻率的選取上，本雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率為10．5GHz，故該天線的工作頻率為10．5GHz,，對于陣列中各單元以等間距位于直線上的線陣，其陣列因子可表示為：
   
    其中An為激勵(lì)的幅度，θ為觀察方向與直線的夾角，d為陣元間距。由于諧振陣各單元是同相的，即φn=O，則上式可簡化為：
   
    當(dāng)u=2mπ，m=O，±1，…時(shí)，S取最大值，且m=0時(shí)為主瓣。為了實(shí)現(xiàn)低副瓣并使主瓣展寬，采用中心饋電從陣中到邊緣幅度遞減，按泰勒線源分布加權(quán)各縫隙，兩邊呈對稱分布，其方向圖零點(diǎn)位置由下式?jīng)Q定：

   
    將后一項(xiàng)按多項(xiàng)式展開，Z的各次冪系數(shù)即為相對應(yīng)的激勵(lì)幅度。
    由圖2，當(dāng)波導(dǎo)采用中心饋電并處于諧振的時(shí)候(其阻抗虛部為零)，對泰勒分布而言，則有：

    將之前得到的每個(gè)縫隙的激勵(lì)幅度代入即可求得相應(yīng)的歸一化電阻值，在本設(shè)計(jì)中N取4。
    A．F．Stevenson利用洛倫茲互易定理及波導(dǎo)中功率的平衡方程，得到了串聯(lián)縫隙的歸一化等效電阻表示式為：
   
    其中β表示縫隙中心線與波導(dǎo)寬邊中心線之間的夾角，α為寬壁的長度，b為窄壁的長度。將之前求得的rn代入并求解方程可得到對應(yīng)的縫隙偏角。
1．3 影響天線性能的因素
    應(yīng)用以上所計(jì)算出來的結(jié)果來進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)，還必須考慮縫隙間的互耦問題；若不考慮互耦，將使天線口徑面的幅度分布和相位分布變壞，同時(shí)也將惡化天線的輸入端匹配。近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的飛速發(fā)展，在設(shè)計(jì)比較小的縫隙陣列時(shí)，通過仿真得到近場數(shù)據(jù)的近場診斷法越來越受到重視。在縫隙數(shù)為4的情況下，根據(jù)上面得出的參數(shù)，結(jié)合CST軟件中參數(shù)掃描的功能，能夠快速地找到準(zhǔn)確的電參數(shù)，大大提高了設(shè)計(jì)的效率。
    串聯(lián)縫隙與縱向縫隙相比，由于其角度偏轉(zhuǎn)的原因，其交叉極化輻射要比縱向縫隙高，這會(huì)帶來副瓣電平的升高和增益的降低，仿真結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，而這是我們在設(shè)計(jì)中所不希望看到的，需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設(shè)計(jì)中，采用在每個(gè)縫隙上方加一個(gè)小波導(dǎo)口的辦法，小波導(dǎo)的傳播方向垂直于縫隙所在的平面。在不增加其傳播方向長度的情況下，通過控制小波導(dǎo)的寬邊尺寸，使其截止波長小于縫隙在交叉極化方向上傳播模的截止波長，來抑制交叉極化電平。為進(jìn)一步降低交叉極化電平，同時(shí)也對主瓣波形進(jìn)行調(diào)整，參照仿真結(jié)果，可在小波導(dǎo)口中間插入金屬片來進(jìn)一步減小其寬邊尺寸，仿真結(jié)果表明，該方法能有效地降低交叉極化所帶來的影響。

2 建模與仿真
    本文在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線的過程中，設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真都是在CST時(shí)域求解器的環(huán)境中完成的。
2．1 天線模型的建立
    輻射波導(dǎo)選用的尺寸是22．86×10．16mm，縫一側(cè)的波導(dǎo)壁厚1mm，縫寬為2mm，波導(dǎo)兩端為理想短路面；截止波導(dǎo)16×8mm。建立模型，其框架圖如圖3所示：

    其中黑色標(biāo)記處為同軸線中心饋電點(diǎn)；輻射口上方的方形材料為天線罩；從左到右縫隙的編號依次為1～4。
2．2 仿真結(jié)果分析
    仿真中將縫長l和傾角β設(shè)置成變量，l的初始值取λ／2，利用CST的參數(shù)掃描功能，對縫隙長度和傾角進(jìn)行掃描。通過設(shè)置合理的步長，能夠加快掃描進(jìn)度，減少計(jì)算時(shí)間。由于本設(shè)計(jì)采用的是同軸線中心饋電，需要考慮阻抗匹配的問題，否則會(huì)在與波導(dǎo)的連接處產(chǎn)生反射，影響天線的性能。根據(jù)λ／4阻抗變換的原理，在仿真中通過改變同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針的長度來進(jìn)行匹配，觀察端口模式當(dāng)同軸線輸入阻抗為50 Ω時(shí)即認(rèn)為達(dá)到了所需的效果，經(jīng)過仿真得到同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針長度為8．5mm。并在此基礎(chǔ)上仿真得到縫隙的參數(shù)如下：

 
    從仿真結(jié)果中可以很明顯看出，中心頻率處駐波比達(dá)到了非常理想的效果，在駐波比為2以下的帶寬大約為400MHz，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求；其H面方向圖(即天線架裝后的水平方向圖)波束寬度達(dá)到了寬角度探測的要求；E面方向圖也達(dá)到了指標(biāo)要求，不足之處在于其副瓣電平還不是非常理想，這主要是由于為了滿足波束寬度的需要而采用縫隙數(shù)較少的緣故，但其損失在可接受的范圍內(nèi)?？傮w來說，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)。

3 結(jié)束語
    本文從應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)際情況出發(fā)，利用波導(dǎo)寬邊中心斜縫的形式設(shè)計(jì)了一款小型四元線陣天線，通過仿真分析，其各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到了規(guī)定的指標(biāo)要求。并且由于體積小、穩(wěn)定性好、能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在實(shí)際制作由于加工工藝等方面的原因會(huì)造成一定的誤差，需要嚴(yán)格控制加工誤差。