劉熠志

摘要：介紹HFSS在漏波長槽波導天線口徑場診斷中的應用，通過合理的子網(wǎng)格設置仿真得到輻射長槽上精確的口徑場。采用提取的口徑場分布反演得到天線遠場方向圖，將其與仿真得到的方向圖相比，非常吻合，證明這種診斷方法正確有效。根據(jù)口徑場診斷結果，對天線結構進行調(diào)整優(yōu)化，達到明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合。

關鍵詞：HFSS； 漏波長槽； 波導天線； 口徑場； 診斷

中圖分類號：TN820.1

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2018）01-0070-04

Abstract： The application of HFSS in aperture field diagnosis of leaky-wave long slot waveguide is introduced. The accurate aperture field of radiant long slot is obtained through reasonable sub-grid setting simulation. The antenna far-field pattern is obtained using the inversion of extracted aperture field distribution， which is very consistent with the pattern obtained by simulation. It is proved that the diagnosis method is correct and effective. According to the diagnostic results of aperture field， the antenna structure is adjusted and optimized to achieve obvious optimization effect. The antenna side lobe is significantly reduced， and the load absorption rate is very consistent with the theoretical design.

Key words： HFSS； leaky-wave long slot； waveguide antenna； aperture field； diagnosis

0 引 言

漏波長槽波導天線在波導寬邊開有偏離波導寬邊中心線的賦形長槽，是一種典型的漏波天線形式，具有效率高、帶寬、功率容量高、方向圖控制靈活等優(yōu)點，可應用于宇航、引信等領域。[1-2]然而，漏波長槽波導天線的設計難度大，其基本設計理論非常經(jīng)典，但設計結果與理論預期往往存在較大偏差，設計效果明顯不及諧振式縫隙陣天線，導致對漏波長槽波導天線的研究很難獲得較大的突破。[3-6]

隨著仿真計算技術的發(fā)展進步[7]，強大的商用電磁仿真軟件為分析、設計天線提供更多的途徑和思路。本文利用HFSS強大的仿真分析能力，跳出傳統(tǒng)設計方法的局限，對漏波長槽波導天線口徑場進行診斷和優(yōu)化。介紹采用HFSS對漏波長槽波導天線口徑場診斷的方法，通過合理的子網(wǎng)格設置，仿真得到輻射長槽上精確的口徑場；根據(jù)口徑場診斷結果，對天線結構進行優(yōu)化調(diào)整，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合。

1 漏波長槽波導天線的原理

漏波長槽波導天線的結構見圖1，在波導寬邊開有偏離波導寬邊中心線的賦形長槽，波導內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪◤拈L槽處泄漏。通常，漏波天線單位長度的泄漏率應較低，以避免對波的傳輸相速產(chǎn)生較大擾動和天線失配。

漏波天線的特性用復傳播常數(shù)

α+jβ表示，α為衰減常數(shù)，β為波導內(nèi)相位傳播常數(shù)。當α很小時，可不計α對主波束指向的影響，則

式中：θm為主波束偏離波導法線的角度；λ為自由空間波長；λc為波導截止波長；λg為波導波長。

漏波天線的口徑幅度分布A（z）通過改變沿漏波結構衰減（泄漏）量α（z）控制。由文獻[8-10]可知，給定A（z）可以計算出理論α（z），即

同時，α（z）的大小由天線結構尺寸，主要是賦形長槽偏離波導寬邊中心的偏移量決定，因此由理論α（z）可設計出具體天線結構尺寸。理論上

式中：x為賦形長槽的偏置量；w為槽寬；a為波導寬邊尺寸；b為波導窄邊尺寸；k為自由空間相位傳播常數(shù)；kc為截止波數(shù)。

2 仿真與優(yōu)化

按照漏波長槽波導天線的原理設計輻射長槽的初始形狀曲線，在HFSS中通過多節(jié)折線段逼近該曲線。運用sweep操作得到縫隙寬度一定的輻射長槽，漏波長槽天線仿真模型見圖2。應用口徑場診斷方法的前提條件是仿真計算能得到準確的口徑場數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的準確性主要取決于網(wǎng)格劃分設置。在該模型中，輻射長槽包含細小的結構尺寸，因此需要對輻射長槽的網(wǎng)格進行局部加密，局部網(wǎng)格劃分結果見圖3。

口徑場分布提取結果見圖4。由此可以看出，口徑場仿真值與理論值差別較大。經(jīng)過深入分析并參考相關文獻可知：口徑場分布不對稱，前低后高，這主要是由長槽偏移量設計誤差造成的；口徑場分布總體上是在理論分布基礎上疊加一個周期的振蕩分布，該現(xiàn)象是由長槽內(nèi)產(chǎn)生的高次模干涉引起的，這也與文獻的結論相吻合。為進一步驗證口徑場診斷的正確性，由口徑場反演計算出天線遠場方向圖（見圖5），并與仿真得到的遠場方向圖（見圖6）進行對比可知：兩者非常吻合，尤其是主波束和近場副瓣區(qū)間的方向圖幾乎重合，只有在遠區(qū)柵瓣處柵瓣電平大小有些差別，但柵瓣位置仍是一致的，其原因主要是口徑場反演的方向圖沒有考慮實際結構邊界條件的影響。

根據(jù)口徑場診斷結果，提出修正口徑場分布的方法，優(yōu)化設計漏波長槽波導天線，解決口徑場分布不對稱問題。優(yōu)化設計后仿真得到的修正口徑場分布和方向圖分別見圖7和8。

由圖7和8可知：口徑場分布的對稱性明顯改善，方向圖性能也明顯提高，主瓣內(nèi)不再分裂出臺瓣。寬頻帶內(nèi)優(yōu)化設計的駐波比仿真值和負載吸收率仿真值分別見圖9和10。負載吸收率的仿真值為-13.4 dB，與理論值非常吻合。由此可見，對天線結構進行調(diào)整，可達到明顯的優(yōu)化效果。

3 結束語

針對漏波長槽波導天線的精確設計和優(yōu)化設計問題，基于HFSS的漏波長槽波導天線口徑場診斷方法，通過合理設置仿真模型，準確提取輻射長

槽上的口徑場，根據(jù)口徑場對天線進行分析和優(yōu)化。將口徑場分布反演得到的天線遠場方向圖與仿真方向圖對比，二者非常吻合，證明該診斷方法正確有效。優(yōu)化設計取得較好的效果，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合，驗證優(yōu)化設計的有效性。

實際的口徑場分布由很多因素決定，包括高次模、長槽偏置設計誤差、設計理論的應用條件偏差等，因此實際的優(yōu)化方法比較復雜，優(yōu)化難度較大，還有很多優(yōu)化空間有待研究。

參考文獻：

[1] GOLDSTONE L， OLINER A. Leaky-wave antennas I： Rectangular waveguides[J]. IRE Transactions on Antennas and Propagation， 1959， 7（4）： 307-319. DOI： 10.1109/TAP.1959.1144702.

[2] GOLDSTONE L， OLINER A. Leaky-wave antennas II： Circular waveguides[J]. IRE Transactions on Antennas and Propagation， 1961， 9（3）： 280-290. DOI： 10.1109/TAP.1961.1144995.

[3] WHETTEN F L， BALANIS C A. Leaky-wave long waveguide slot antennas： Aperture fields， far field radiation， and mutual coupling[C]//Proceedings of Antennas and Propagation Society International Symposium. San Jose： IEEE， 1989. DOI： 10.1109/APS.1989.135001.

[4] WHETTEN F L， BALANIS C A. Meandering long slot leaky-wave waveguide-antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1991， 39（11）： 1553-1560. DOI： 10.1109/8.102768.

[5] JOUBERT J， MALHERBE J A G. Moment method calculation of propagation constant for leaky-wave modes in slotted rectangular waveguide[J]. IEEE Proceedings-Microwaves， Antennas and Propagation， 1999， 146（6）： 411-415. DOI： 10.1049/ip-map：19990431.

[6] van NGUYEN T. Transverse resonance solutions for a long slot leaky wave antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1972， 20（6）： 776-778. DOI： 10.1109/TAP.1972.1140306.

[7] 陳惠亮， 張明， 朱焜， 等. 基于ANSYS的靜力問題結構可靠性分析方法[J]. 計算機輔助工程， 2013， 22（2）： 51-54. DOI： 10.3969/j.issn.1006-0871.2013.02.011.

[8] MALLAHZADEH A R， AMINI M H. Design of a leaky-wave long slot antenna using ridge waveguide[J]. IET Microwaves， Antennas & Propagation， 2014， 8（10）： 714-718. DOI： 10.1049/iet-map.2013.0458.

[9] MALLAHZADEH A R， AMINI M H， NEZHAD S M A. Leaky-wave long slot antenna design using ridged waveguide[C]//Proceedings of 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation（EUCAP）. Prague： IEEE， 2012. DOI： 10.1109/EuCAP.2012.6206263.

[10] 趙偉， 李曉， 亓東. 非大氣窗口毫米波長槽漏波波導天線的設計[J]. 微波學報， 2010， 26（2）： 43-46.

（編輯 付宇靚）