方正新 張立新

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230088)

1 引言

縫隙天線陣元的形式多種多樣[1，2]，這是由于波導(dǎo)場(chǎng)分布的特點(diǎn)使單個(gè)縫隙天線(陣元)的位置比較靈活，甚至只要附加適當(dāng)?shù)募?lì)元件，就可使在不同輻射位置上的縫隙也變成輻射元。

通常我們?yōu)榱嗽鰪?qiáng)縫隙天線的方向性，在圓波導(dǎo)的側(cè)壁上按一定規(guī)律開多條尺寸相同的縫隙，即構(gòu)成圓波導(dǎo)縫隙天線陣[3，4]。

圓波導(dǎo)縫隙陣列天線具有機(jī)械強(qiáng)度好、結(jié)構(gòu)緊湊、輻射效率高、耐腐蝕、便于加工等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在雷達(dá)、微波通信以及電視廣播系統(tǒng)中廣泛使用。

水平極化圓波導(dǎo)縫隙天線可以在L、S、C、X等波段廣泛實(shí)現(xiàn)，在低于或高于以上波段時(shí)因?yàn)轶w積或加工精度要求等方面原因，就不建議采用這種形式了。

本文將圓波導(dǎo)縫隙天線用于實(shí)現(xiàn)S波段全向天線，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在360°范圍內(nèi)起伏很小，滿足了全向性要求，設(shè)計(jì)取得了成功并順利應(yīng)用到了雷達(dá)產(chǎn)品中。

2 天線設(shè)計(jì)和仿真

縫隙陣列天線可分為諧振陣列(駐波陣)和非諧振陣列(行波陣)兩種形式[5～11]。我們這里設(shè)計(jì)成功的圓波導(dǎo)縫隙天線屬于駐波天線的范疇，具體來說，這類天線一般在圓波導(dǎo)的一周均勻加工6～7個(gè)縱向縫隙，合理選擇圓波導(dǎo)的內(nèi)徑φ值，使得相鄰縫隙間距約為λg/2，每個(gè)縫長(zhǎng)度約為λ/2，縫寬取2～3mm，終端放置短路板，短路板距終端縫隙中心約為λg/2，在每個(gè)縫的中心位置的一側(cè)裝有激勵(lì)探針，于是天線陣的各縫隙單元被同相激勵(lì)，波導(dǎo)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，最大輻射方向與波導(dǎo)表面垂直。我們這里按6個(gè)縱向縫隙來設(shè)計(jì)，為了獲得更高的增益，設(shè)計(jì)了兩排縫隙陣列，圓波導(dǎo)縫隙天線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圓波導(dǎo)縫隙天線俯視圖如圖2所示。

在初步計(jì)算了天線的各項(xiàng)基本參數(shù)后，借助射頻仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，分別得出圓波導(dǎo)內(nèi)徑φ=100mm，L1=47mm，L2=143mm，L3=57mm，L4=51mm。由于探針伸出圓波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)天線的性能影響十分敏感，其尺寸留待測(cè)試過程中確定，探針的粗細(xì)對(duì)天線的電性能影響不明顯，這里取探針的直徑為3mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化計(jì)算尺寸加工出了天線單元，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在有關(guān)尺寸確定后，探針伸出圓波導(dǎo)的長(zhǎng)短對(duì)天線的性能影響明顯，主要表現(xiàn)在駐波變化、方位面幅度起伏即全向性變化等方面，其影響見表1所示。經(jīng)綜合權(quán)衡，最終取探針伸出圓波導(dǎo)長(zhǎng)度為23mm。圖3為電壓駐波比測(cè)試與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線。圖4為天線在頻帶內(nèi)高、中、低頻率點(diǎn)測(cè)試的E面、H面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖。由圖3可以看出，在設(shè)計(jì)要求的2.7～3.0GHz頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比都能小于1.6。由圖3可以看出在360°范圍內(nèi)天線具有很好的全向性，整個(gè)頻帶內(nèi)E面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖幅度起伏不超過1.9dB。

表1 探針伸出圓波導(dǎo)長(zhǎng)度對(duì)天線性能的影響

圖3 圓波導(dǎo)縫隙天線電壓駐波比測(cè)試與仿真曲線對(duì)比

圖4 天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖測(cè)試曲線

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種S波段圓波導(dǎo)縫隙全向天線，該天線方位面在360°范圍內(nèi)幅度起伏小，具有很好的全向特性，目前天線已成功地應(yīng)用到了雷達(dá)產(chǎn)品中。

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