包立琦

(甘肅長(zhǎng)風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)如今天線的形式種類繁多,有各種反射面天線、波導(dǎo)縫隙天線、微帶貼片天線及形式多樣的共面天線，其中波導(dǎo)寬邊裂縫天線是當(dāng)今應(yīng)用較為廣泛的一種主流天線。該種類型的天線相比傳統(tǒng)類型的拋物面天線來(lái)說(shuō)，體積小重量輕且天線增益效率高；雖然微帶天線的體積也可以做的更小，但是微帶天線的耐功率能力和天線效率都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上波導(dǎo)裂縫天線的，而且波導(dǎo)縫隙天線的口徑能量分布可以通過(guò)輻射縫的偏置精準(zhǔn)控制，易于實(shí)現(xiàn)天線的低旁瓣性能，正因?yàn)樯鲜鰞?yōu)勢(shì)的存在，使得波導(dǎo)裂縫天線在各種雷達(dá)天線系統(tǒng)中成為首選的天線形式。

1 X波段波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)思路

波導(dǎo)裂縫平板天線通常由輻射陣面、耦合功分網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)三部分組成，其中輻射陣面作為天線的電磁波輻射界面，由眾多的輻射單元組成，平面波導(dǎo)縫陣天線的輻射單元是波導(dǎo)面上開(kāi)出的眾多輻射縫。這些輻射縫輻射微波功率的大小，由輻射單元進(jìn)行能量配送的線陣波導(dǎo)以及給這些線陣波導(dǎo)饋電的功分耦合波導(dǎo)所決定，它們一起構(gòu)成了整個(gè)陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。輻射縫隙有開(kāi)在波導(dǎo)寬邊上的縱向橫向輻射縫隙，也有開(kāi)在波導(dǎo)窄邊上的傾斜縫隙。輻射波導(dǎo)一般是在波導(dǎo)寬邊上開(kāi)一系列橫縫組成輻射縫，耦合波導(dǎo)則是在波導(dǎo)寬邊中心軸線上開(kāi)傾斜縫向輻射波導(dǎo)耦合能量。我們今天討論的主要是波導(dǎo)寬邊輻射縫偏置的一種計(jì)算方法[1]。

2.1 裂縫天線輻射、耦合波導(dǎo)尺寸的計(jì)算

依據(jù)陣列天線基本理論，只有當(dāng)相鄰輻射單元之間的距離約為導(dǎo)內(nèi)半波長(zhǎng)時(shí)，天線的輻射方向圖才不會(huì)出現(xiàn)柵瓣，此時(shí)天線的增益效率也是比較高的，因此在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線時(shí)首先要確保相鄰輻射縫之間的距離為λg/2mm(λg為波導(dǎo)導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng))，為保證所有輻射縫隙的相位一致，要求相鄰輻射裂縫相互置于波導(dǎo)中心線兩邊；相鄰耦合縫之間的距離也為λg/2mm，為補(bǔ)償此間距的反相問(wèn)題，在輸入相位一致的情況下，一般都要將相鄰耦合縫的傾角反相排布[2]。

在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，為了減小天線的厚度和重量，我們一般都會(huì)對(duì)輻射波導(dǎo)、耦合波導(dǎo)及饋電波導(dǎo)的尺寸進(jìn)行計(jì)算并壓縮。為了保證所有輻射縫隙的相位一致，要求每根輻射波導(dǎo)的相位要一致，因此對(duì)耦合波導(dǎo)的寬邊尺寸按下式計(jì)算，用a′表示耦合波導(dǎo)寬邊尺寸，則：

(1)

式中，δ為波導(dǎo)壁厚，mm。

為了保證天線的輻射效率，一般情況下波導(dǎo)壁厚不宜取得太大，在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求之下，我們暫定該天線的壁厚為1mm。根據(jù)該公式計(jì)算滿足要求的輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的尺寸有多種組合，為了使天線的工作帶寬盡可能的大，我們盡量使輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的寬邊尺寸一致，這樣也有利于后期的加工。經(jīng)過(guò)計(jì)算我們?cè)O(shè)計(jì)的這款波導(dǎo)裂縫天線輻射和耦合波導(dǎo)尺寸最終確定為(22.08×6)mm。

2.2 天線口徑面幅度分布

天線口徑上的幅度分布是決定天線副瓣電平、增益的關(guān)鍵因素，根據(jù)給定天線的幾何尺寸和外形，可計(jì)算出此天線的增益和波束寬度；根據(jù)安裝空間的限定可知此天線外形接近于半圓，輻射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的尺寸確定之后就可以畫(huà)出此裂縫天線的整體外形和輻射縫的分布情況，天線外形圖1所示[3]。

圖1 平板天線外形布局圖

天線方向圖的加權(quán)方式很多，常用的有泰勒加權(quán)、切比雪夫加權(quán)等方式，本設(shè)計(jì)案例中對(duì)天線的口徑面分布選為taylor加權(quán)圓口徑分布，根據(jù)天線方位面和俯仰面給定的旁瓣指標(biāo)和天線輻射單元縫隙數(shù)，用MATLAB軟件可以仿真計(jì)算出天線的方向圖和每個(gè)輻射縫的電平分布情況：

圖2 天線仿真方向圖

分析圖2可以得知，該仿真方向圖旁瓣參數(shù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，波束寬度與理論計(jì)算基本吻合，各個(gè)輻射縫隙的電流an分布如表1所示。

表1 平板裂縫天線輻射縫電流

(續(xù)表)

2.3 天線變量的設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.3.1 輻射縫寬的計(jì)算

在設(shè)計(jì)波導(dǎo)裂縫天線時(shí)，計(jì)算確定好輻射、耦合波導(dǎo)尺寸之后，就該確定輻射縫寬了，輻射縫隙W的寬度一般要滿足如下要求：

(2)

本方案中輻射縫隙w的寬度經(jīng)過(guò)計(jì)算最終確定為2.3mm[4]。

2.3.2 輻射縫長(zhǎng)的計(jì)算

表2 輻射縫長(zhǎng)度

2.3.3 縫隙偏置的計(jì)算

波導(dǎo)裂縫天線的縫隙偏置直接決定著天線各個(gè)輻射口的能量分布，天線的旁瓣和增益等都與此有直接關(guān)系，以往關(guān)于縫隙偏置的計(jì)算方法是很復(fù)雜的，本方案中縫隙偏置的計(jì)算方法簡(jiǎn)單明了，適合于縫隙數(shù)目較少的裂縫天線計(jì)算仿真。計(jì)算過(guò)程如下：

波導(dǎo)寬邊上的縱向并聯(lián)輻射縫隙的電導(dǎo)為

(3)

根據(jù)平板裂縫天線基本理論，當(dāng)對(duì)輻射波導(dǎo)中心饋電時(shí)，在此根波導(dǎo)上全部輻射裂縫的有源導(dǎo)納之和為2，,對(duì)輻射縫隙的電流分布根據(jù)下式進(jìn)行歸一化

(4)

根據(jù)式(4)可求得K，由下式可以得到各個(gè)縫隙的導(dǎo)納值：

(5)

輻射波導(dǎo)的尺寸確定為22.14mm，根據(jù)公式可計(jì)算出各個(gè)輻射縫隙的偏移量Offset：

(6)

該天線的各個(gè)縫隙的偏置和8根波導(dǎo)的模電壓經(jīng)計(jì)算如表3、表4所示。

表3 輻射縫隙偏置

表4 激勵(lì)波導(dǎo)模電壓

2.4 天線口徑增益的計(jì)算方法

天線的增益大小與天線的方向性系數(shù)有直接關(guān)系，天線增益由天線口徑、工作頻率所決定，根據(jù)天線工程手冊(cè)，波導(dǎo)裂縫天線的增益可按式(7)進(jìn)行計(jì)算。

(7)

式中η是天線口徑面效率，在本案例中按0.65計(jì)算。根據(jù)公式(7)計(jì)算天線增益后，為了使增益計(jì)算值更加接近測(cè)試結(jié)果，還需要減去天線的系統(tǒng)插損，本天線的因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以系統(tǒng)損耗大致估算為0.5dB，最終天線的增益經(jīng)計(jì)算滿足指標(biāo)要求[5]。

3 裂縫天線方向圖的仿真優(yōu)化

通過(guò)上述一系列方法確定了裂縫天線的各個(gè)參數(shù)尺寸之后，我們?cè)贖FSS或CST中進(jìn)行建模仿真，經(jīng)過(guò)不斷的仿真優(yōu)化，該天線的和、差路方向圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 裂縫天線和路方向圖

圖4 裂縫天線差路方向圖

通過(guò)縫隙仿真方向圖可以看出：該天線的方向圖符合波導(dǎo)縫隙陣列天線的設(shè)計(jì)理論，和、差路各項(xiàng)參數(shù)滿足指標(biāo)要求，可以進(jìn)行后續(xù)的投產(chǎn)加工工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)思路中天線的優(yōu)化多是通過(guò)HFSS仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以關(guān)于天線的互耦誤差分析還需要后續(xù)該經(jīng)，以便能夠有精確的理論分析。該平板裂縫天線的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單實(shí)用，當(dāng)天線的輻射縫隙較少時(shí)，可以使用該設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。用該方法設(shè)計(jì)加工兩套X波段裂縫天線，經(jīng)過(guò)在微波暗室平面近場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，天線輻射性能滿足使用要求，工作帶寬達(dá)到了3.5%，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。