基于車載雷達系統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計

　　O 引言

　　波導(dǎo)縫隙天線自上世紀中葉以來有了很大的發(fā)展，廣泛用于地面、艦載、機載、導(dǎo)航等各個領(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，易于實現(xiàn)低或極低副瓣等特點，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驗進行了大量基礎(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)計的就是基于車載雷達系統(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，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)計起見，本設(shè)計采用波導(dǎo)寬壁斜縫諧振陣的方式，切割的縫隙數(shù)為4個，達到了指標要求的效果。

　　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，窄縫在縱向不切割電流線;在縫的橫向由于對電場的擾動，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，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，S取最大值，且m=0時為主瓣。為了實現(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，其方向圖零點位置由下式?jīng)Q定：

　　將后一項按多項式展開，Z的各次冪系數(shù)即為相對應(yīng)的激勵幅度。

　　由圖2，當(dāng)波導(dǎo)采用中心饋電并處于諧振的時候(其阻抗虛部為零)，對泰勒分布而言，則有：

　　將之前得到的每個縫隙的激勵幅度代入即可求得相應(yīng)的歸一化電阻值，在本設(shè)計中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)用以上所計算出來的結(jié)果來進行天線的設(shè)計，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，同時也將惡化天線的輸入端匹配。近年來隨著計算機輔助技術(shù)的飛速發(fā)展，在設(shè)計比較小的縫隙陣列時，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，能夠快速地找到準確的電參數(shù)，大大提高了設(shè)計的效率。

　　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，這會帶來副瓣電平的升高和增益的降低，仿真結(jié)果也證實了這一點，而這是我們在設(shè)計中所不希望看到的，需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設(shè)計中，采用在每個縫隙上方加一個小波導(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。為進一步降低交叉極化電平，同時也對主瓣波形進行調(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)計波導(dǎo)縫隙天線的過程中，設(shè)計中的數(shù)值仿真都是在CST時域求解器的環(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：

　　其中黑色標記處為同軸線中心饋電點;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行掃描。通過設(shè)置合理的步長，能夠加快掃描進度，減少計算時間。由于本設(shè)計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)體探針的長度來進行匹配，觀察端口模式當(dāng)同軸線輸入阻抗為50 Ω時即認為達到了所需的效果，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)波束寬度達到了寬角度探測的要求;E面方向圖也達到了指標要求，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)。總體來說，各項指標達到了設(shè)計之初的目標。

　　3 結(jié)束語

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