柱面共形裂縫陣天線的設(shè)計(jì)與仿真 （二）

相位補(bǔ)償?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)

在柱面共形陣的設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[4]給出了一種相位補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其耦合波導(dǎo)采用行波陣，利用縫在寬波導(dǎo)內(nèi)的上下偏置引起π相移，偏置的大小以及縫的傾角同時(shí)控制相移和幅度。在設(shè)計(jì)時(shí)必須適當(dāng)選取輻射縫所處位置到假想平口面的相位與耦合波導(dǎo)中每個(gè)輻射波導(dǎo)的相位，使其剩余相位差較小的情況下，用斜縫的位置來(lái)補(bǔ)償這一相位差，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜繁瑣，并且仿真驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種補(bǔ)償方式對(duì)輻射波導(dǎo)的兩端口所引起的相位并不一致。

該耦合波導(dǎo)采用寬邊開(kāi)斜縫駐波陣，斜縫夾角相等，滿足Q面等幅分布，相鄰?qiáng)A角正負(fù)反相，間距

，滿足同相分布，中間饋電給輻射波導(dǎo)。輻射波導(dǎo)上開(kāi)縱向縫隙，采用駐波陣，通過(guò)縱向縫隙離耦合隙縫的距離來(lái)控制所需相位，P面幅度分布通過(guò)在輻射波導(dǎo)靠近隙縫的地方加感性膜片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)控制輻射隙縫到耦合隙縫的距離，就可以達(dá)到控制輻射隙縫的相位，所需相位與距離之間的關(guān)系滿足(7)式。d為所需間距，所需相位與輻射波導(dǎo)中波導(dǎo)波長(zhǎng)的關(guān)系式為

，為了驗(yàn)證理論的正確性，通過(guò)建如圖7所示模型進(jìn)行仿真，每個(gè)輻射隙縫相對(duì)耦合隙縫的間距為

，n取±1，±2，±3，對(duì)d進(jìn)行參數(shù)化掃描，在饋電縫左右各取一個(gè)縫看近場(chǎng)相位，即可看出d與相位的關(guān)系，考慮一般性均取中間縫。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8所示。

圖7 建模

圖8 相位與間距之間的關(guān)系

仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)而驗(yàn)證了這種饋相方案的正確性。

3 大陣仿真

A. CST微波工作室®的特點(diǎn)

本柱面裂縫陣的天線口徑達(dá)到

，加之其具有共形結(jié)構(gòu)，且柱面縫隙、感性膜片等部分非常精細(xì)，這使得對(duì)其進(jìn)行全波仿真分析變得非常復(fù)雜。

3D電磁場(chǎng)仿真軟件CST微波工作室®采用有限積分算法，此算法能快速處理時(shí)域?qū)拵Ш碗姶蟪叽鐔?wèn)題。有限積分算法中使用了理想邊界擬合®(PBA)技術(shù)后，與經(jīng)典的FDTD算法只限于階梯網(wǎng)格近似(Staircase Mesh)相比，CST微波工作室®不僅保持了結(jié)構(gòu)化直角坐標(biāo)系網(wǎng)格的所有優(yōu)點(diǎn)，并且可以對(duì)曲線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模，實(shí)現(xiàn)了精度與速度的雙重保證。CST微波工作室®擁有業(yè)內(nèi)最佳的三維建模界面，可以迅速準(zhǔn)確的建立和修改三維幾何模型，其時(shí)域求解器可在一次激勵(lì)仿真下就完成全頻段參數(shù)特性的計(jì)算，因此非常適合本問(wèn)題的建模與仿真。[!--empirenews.page--]

B. 建模

利用模型的對(duì)稱(chēng)性，建模時(shí)只需建立一半結(jié)構(gòu)，即可利用對(duì)稱(chēng)性完成仿真任務(wù)。

該模型由12根輻射波導(dǎo)和兩根饋電波導(dǎo)組成。輻射波導(dǎo)之間都有扼流槽，每根輻射波導(dǎo)上都有68個(gè)左右的輻射縫隙。天線陣被分成I、II兩個(gè)子陣，兩個(gè)饋電波導(dǎo)分別位于兩個(gè)子陣中。每根饋電波導(dǎo)上都有對(duì)應(yīng)于輻射波導(dǎo)的12個(gè)饋電縫隙，金屬膜片與饋電縫隙相對(duì)應(yīng)。

輻射縫隙不僅數(shù)量多，而且每一根輻射波導(dǎo)上的縫隙并不相同，無(wú)法直接使用對(duì)稱(chēng)性建模。如果單獨(dú)建模每一個(gè)縫隙，無(wú)疑工作量是巨大的。這里采用一種基于CST VBA宏命令的半自動(dòng)建模方法來(lái)簡(jiǎn)化這一繁瑣的過(guò)程。

最后仿真用模型如圖9所示，I子陣的饋電波導(dǎo)端口設(shè)置為端口1，II子陣饋電波導(dǎo)端口設(shè)置為端口2。端口1和端口2的幅度比為0.637：1。

C. 仿真結(jié)果

使用CST微波工作室的時(shí)域求解器，整個(gè)裂縫陣天線仿真的總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到142,156,080，精細(xì)分辨了裂縫陣和饋電波導(dǎo)金屬膜片等微小結(jié)構(gòu)。圖10、圖11分別給出了中心頻率f0下，天線P面與Q面方向圖。

圖9 波導(dǎo)端口設(shè)置

圖10 P面增益方向圖

圖11 Q面增益方向圖

可以看出，天線增益達(dá)到了38.4dB，P面副瓣電平：-22.1dB，波束寬度為0.6°;Q面副瓣電平-13.3dB，波束寬度為5.6°。仿真結(jié)果和理論設(shè)計(jì)取得了較好的一致。

4 結(jié)論

該天線采用了一種新的相位控制的技術(shù)，補(bǔ)償了由于柱面縫隙陣射線路程長(zhǎng)度不等所引起的相位差，實(shí)現(xiàn)了Q面共形設(shè)計(jì)，通過(guò)CST商業(yè)仿真軟件仿真驗(yàn)證了方案的正確性，為共形陣列天線的設(shè)計(jì)又提供了一種新的方案選擇。仿真結(jié)果表明，天線達(dá)到了所需的指標(biāo)要求，其主要技術(shù)指標(biāo)有：P面半功率波束寬度：0.6°，P面副瓣電平：-22dB，Q面半功率波束寬度：5°～6°，Q面副瓣電平：-12dB左右，增益大于37.7dB，與理論設(shè)計(jì)非常吻合。