袁賢剛, 楊通輝, 趙德雙

(1.成都中星世通電子科技有限公司,成都610091;2.電子科技大學物理電子學院,成都610054)

0 引言

波導縫隙天線是一種性能優(yōu)良的平面結(jié)構(gòu)天線,功率容量大、口徑效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、易共形、抗沖擊強度高,有著其它類型天線無法取代的優(yōu)勢。因此,被廣泛運用航空航天領(lǐng)域,特別是在高速飛行器雷達系統(tǒng)中。

在低頻段,波導縫隙天線設(shè)計理論較為成熟。其中,Stevenson等效電路法是一種應用最為廣泛設(shè)計方法,可準確、快速地對波導縫隙天線進行綜合設(shè)計。

Stevenson法包含兩個基本假設(shè)條件:

a)波導壁厚為零;

b)縫隙的長/寬比遠大于1。

在低頻下,因天線的工作波長遠大于波導壁厚以及縫隙尺寸,所以兩個基本假設(shè)條件均容易滿足,采用Stevenson法能準確、快速地設(shè)計出性能優(yōu)良的波導縫隙天線[1,2]。

然而,對于V波段和更高的毫米波段,由于要考慮到結(jié)構(gòu)強度要求,波導壁厚通常為1 mm左右。相比天線的工作波長,二者在同一數(shù)量級上。因此,已不能假設(shè)壁厚為零。同時,由于受機械加工工藝條件的制約,縫隙的長度/寬度比也會增加。因此,在V波段,Stevenson法的兩個基本假設(shè)條件均不能得到滿足。因此,直接地引用Stevenson設(shè)計公式,會導致較大的設(shè)計誤差,難以達到預期設(shè)計指標要求。

本文在研究縫隙偏移位置和波導縫隙天線輻射性能關(guān)系的基礎(chǔ)上,對Stevenson波導縫隙偏移位置公式進行了修正。并利用修正公式,結(jié)合泰勒分布,快速準確地設(shè)計出一低副瓣波導縫隙天線[3]。

1 波導縫隙天線原理

對波導寬邊面上的一個縱向縫隙,細縫長邊切斷的是該位置的橫向電流,細縫寬邊切斷的是縱向電流。對于長細比較大的縫隙,能量主要由長邊輻射出去,切斷的縱向電流帶來的輻射會帶來交叉極化。

對于僅傳輸行波的有限長波導系統(tǒng),其主模傳輸形式和無限長波導中的主模傳輸形式相同,即在波導寬邊上,遠離寬邊中心線位置上的電流線較為稀疏,以橫向電流為主,縱向電流的很小;靠近中心線電流線開始匯集,橫向電流減小,縱向電流增大。

若縫隙靠近橫向電流較弱的中心線處,則切斷的橫向電流較小,切斷的縱向電流較大,輻射的有效能量較低,交叉極化嚴重。如果縫隙位置適當遠離寬邊中心線,切斷的橫向電流增加多,縱向電流減小,從而提高有效的輻射能量,也改善了天線輻射的交叉極化特性。從另一方面講,當縫隙偏移量適當增加時,各單元的激勵電流幅度an將增大,由方向函數(shù)

2 波導縫隙偏移位置公式修正

當縫隙電導已知時,由Stevenson電導公式

可推導得到縫隙偏移位置為

其中:

式中:Gn是縫隙歸一化電導值。

根據(jù)前面引言的論證,Stevenson電導計算公式應用在毫米波頻段時存在偏差,這里將在V波段中適當修正Stevenson公式以增加縫隙的偏移量,降低負載損耗能量,抑制天線的副瓣電平,提高天線的輻射效率,改善天線的總體性能。

修正后的公式為

式中:修正因子k的取值為1.8～2.1。經(jīng)大量實驗數(shù)據(jù)論證,應用修正后的公式設(shè)計出來的V波段波導縫隙天線,天線的輻射效率得到很大的改善,有效地抑制了天線的副瓣電平,提高了主波束的增益。

3 天線設(shè)計

基于修正后的Stevenson公式,本文修正因子取k=2.0,設(shè)計了V波段的波導縫隙陣列天線。波導采用半高波導模型以減小天線的重量和體積。

考慮到波導縫隙天線的技術(shù)背景、波束偏轉(zhuǎn)、超低副瓣等性能要求,本文采用線性行波陣結(jié)構(gòu),選擇泰勒陣列的縫隙陣列分布模式來降低激勵電流誤差敏感度。饋電波導為標準波導BJ620。波導縫隙天線完整模型如圖1所示。

具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 天線結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

4 仿真結(jié)果

本文在設(shè)計了天線的各個基本結(jié)構(gòu)參數(shù)后,借助電磁仿真軟件HFSS對天線進行了系統(tǒng)仿真[4]。仿真結(jié)果表明,天線的最大增益達到17.75 dB,副瓣電平為-32.74 dB,H面波瓣寬度為4.43°,波束偏轉(zhuǎn)角度為60°,E面波束寬度大于145°。

H面和E面的方向圖分別如圖2和圖3所示?？梢钥闯?天線在H面表現(xiàn)出良好的窄波束輻射特性,并且副瓣抑制度很高;而在E面則表現(xiàn)出良好的寬角輻射特性,滿足設(shè)計要求。

圖1 波導縫隙天線模型

5 總結(jié)

文中研究了波導縫隙天線的縫隙偏移量與輻射性能間的關(guān)系,并對Stevenson電導計算公式在V波段進行了修正。利用修正公式,結(jié)合泰勒分布陣列,在V波段上完成一波導縫隙陣列天線的設(shè)計。仿真結(jié)果表明,應用修正后的Stevenson

圖2 波導縫隙天線的H面2D方向圖

圖3 波導縫隙天線的E面2D方向圖

公式,可快速設(shè)計出低副瓣波高性能導縫隙陣列天線。

[1] M.H enry,M illimeter Wave Substrate Integrated W aveguide Antennas:Design and Fabrication Analysis[J].IEEE Trans.Advanced Packaging,2009,32(1).

[2] 王小明,等.Ku波段小型化波導縫隙陣列天線的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微波學報,2008,6(3).

[3] Alfred T.V illeneuve.Tay lor Patterns For Discrete A rrays[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,1984,AP-32(10).

[4] 徐 琰,劉元云.波導縫隙陣引信天線的設(shè)計和仿真[J].制導與引信,2003,24(1).