V波段低副瓣波导缝隙天线设计

袁贤刚, 杨通辉, 赵德双

(1.成都中星世通电子科技有限公司,成都610091;2.电子科技大学物理电子学院,成都610054)

0 引言

波导缝隙天线是一种性能优良的平面结构天线,功率容量大、口径效率高、结构紧凑、易共形、抗冲击强度高,有着其它类型天线无法取代的优势。因此,被广泛运用航空航天领域,特别是在高速飞行器雷达系统中。

在低频段,波导缝隙天线设计理论较为成熟。其中,Stevenson等效电路法是一种应用最为广泛设计方法,可准确、快速地对波导缝隙天线进行综合设计。

Stevenson法包含两个基本假设条件:

a)波导壁厚为零;

b)缝隙的长/宽比远大于1。

在低频下,因天线的工作波长远大于波导壁厚以及缝隙尺寸,所以两个基本假设条件均容易满足,采用Stevenson法能准确、快速地设计出性能优良的波导缝隙天线[1,2]。

然而,对于V波段和更高的毫米波段,由于要考虑到结构强度要求,波导壁厚通常为1 mm左右。相比天线的工作波长,二者在同一数量级上。因此,已不能假设壁厚为零。同时,由于受机械加工工艺条件的制约,缝隙的长度/宽度比也会增加。因此,在V波段,Stevenson法的两个基本假设条件均不能得到满足。因此,直接地引用Stevenson设计公式,会导致较大的设计误差,难以达到预期设计指标要求。

本文在研究缝隙偏移位置和波导缝隙天线辐射性能关系的基础上,对Stevenson波导缝隙偏移位置公式进行了修正。并利用修正公式,结合泰勒分布,快速准确地设计出一低副瓣波导缝隙天线[3]。

1 波导缝隙天线原理

对波导宽边面上的一个纵向缝隙,细缝长边切断的是该位置的横向电流,细缝宽边切断的是纵向电流。对于长细比较大的缝隙,能量主要由长边辐射出去,切断的纵向电流带来的辐射会带来交叉极化。

对于仅传输行波的有限长波导系统,其主模传输形式和无限长波导中的主模传输形式相同,即在波导宽边上,远离宽边中心线位置上的电流线较为稀疏,以横向电流为主,纵向电流的很小;靠近中心线电流线开始汇集,横向电流减小,纵向电流增大。

若缝隙靠近横向电流较弱的中心线处,则切断的横向电流较小,切断的纵向电流较大,辐射的有效能量较低,交叉极化严重。如果缝隙位置适当远离宽边中心线,切断的横向电流增加多,纵向电流减小,从而提高有效的辐射能量,也改善了天线辐射的交叉极化特性。从另一方面讲,当缝隙偏移量适当增加时,各单元的激励电流幅度an将增大,由方向函数

2 波导缝隙偏移位置公式修正

当缝隙电导已知时,由Stevenson电导公式

可推导得到缝隙偏移位置为

其中:

式中:Gn是缝隙归一化电导值。

根据前面引言的论证,Stevenson电导计算公式应用在毫米波频段时存在偏差,这里将在V波段中适当修正Stevenson公式以增加缝隙的偏移量,降低负载损耗能量,抑制天线的副瓣电平,提高天线的辐射效率,改善天线的总体性能。

修正后的公式为

式中:修正因子k的取值为1.8～2.1。经大量实验数据论证,应用修正后的公式设计出来的V波段波导缝隙天线,天线的辐射效率得到很大的改善,有效地抑制了天线的副瓣电平,提高了主波束的增益。

3 天线设计

基于修正后的Stevenson公式,本文修正因子取k=2.0,设计了V波段的波导缝隙阵列天线。波导采用半高波导模型以减小天线的重量和体积。

考虑到波导缝隙天线的技术背景、波束偏转、超低副瓣等性能要求,本文采用线性行波阵结构,选择泰勒阵列的缝隙阵列分布模式来降低激励电流误差敏感度。馈电波导为标准波导BJ620。波导缝隙天线完整模型如图1所示。

具体结构参数见表1。

表1 天线结构的基本参数

4 仿真结果

本文在设计了天线的各个基本结构参数后,借助电磁仿真软件HFSS对天线进行了系统仿真[4]。仿真结果表明,天线的最大增益达到17.75 dB,副瓣电平为-32.74 dB,H面波瓣宽度为4.43°,波束偏转角度为60°,E面波束宽度大于145°。

H面和E面的方向图分别如图2和图3所示。可以看出,天线在H面表现出良好的窄波束辐射特性,并且副瓣抑制度很高;而在E面则表现出良好的宽角辐射特性,满足设计要求。

图1 波导缝隙天线模型

5 总结

文中研究了波导缝隙天线的缝隙偏移量与辐射性能间的关系,并对Stevenson电导计算公式在V波段进行了修正。利用修正公式,结合泰勒分布阵列,在V波段上完成一波导缝隙阵列天线的设计。仿真结果表明,应用修正后的Stevenson

图2 波导缝隙天线的H面2D方向图

图3 波导缝隙天线的E面2D方向图

公式,可快速设计出低副瓣波高性能导缝隙阵列天线。

[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波段小型化波导缝隙阵列天线的设计与实现[J].微波学报,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,刘元云.波导缝隙阵引信天线的设计和仿真[J].制导与引信,2003,24(1).