波导裂缝阵列天线可生产性研究

张立东， 张 艳

（1．电磁散射重点实验室；2．海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海200090）

0 引言

波导裂缝阵列天线不存在口径遮挡问题，且天线口面场分布可以通过控制阵面上各个裂缝的电导值来实现，比较容易实现导引头天线高效率、低旁瓣的性能要求［1］。目前，该类天线在雷达导引头天线中得到广泛的应用。在波导缝隙阵列天线研制工作中，借助电磁场仿真工具的应用，通过电磁场仿真软件强大的优化设计功能，平板缝隙阵列天线的电设计已不是天线研制的主要矛盾。平板缝隙阵列天线仿真计算结果正常，完全符合技术指标要求。但天线经加工焊接后，测试结果与技术要求差别很大。这种误差到底是金加工的尺寸公差引起的还是因为焊接不到位引起的，为了能够把问题准确定位，设计师可以把波导缝隙阵列天线的金加工零件直接拼接在一起，用夹具夹好，进行诊断性测试。假如在焊接前，这种测试结果可以符合天线的技术指标要求；而焊接后，天线性能却出现较大变化，那么问题基本就可以定位在焊接上。

纯粹从波导缝隙阵列天线焊接工艺来分析，焊接可能引入的主要问题一般分以下几种：虚焊、焊根太大（焊瘤）、焊接变形以及由于焊料引起的波导高度尺寸变化等等，理论上，虚焊、焊根太大等以上这些问题都可以通过一定的工艺方法加以控制，但这需要大量的工艺试验进行摸索。

近期的一些波导缝隙阵列天线研制工作中，设计师发现某些波导缝隙阵列天线的焊接成品率较低，而某些波导缝隙阵列天线的焊接成品率很高。通过一些解剖比较及深入的分析发现，前者天线设计中采用的某些特殊结构特别容易产生较大焊根（焊瘤），从而可能引起天线性能的恶化，而常规的天线焊接工艺又很难控制这些特殊结构上焊根的大小，从而导致这些天线的成品率很低。在后者焊接成品率高的天线上则不存在这样的特殊结构。由于这些平板缝隙阵列天线设计中采用的某些特殊结构的存在，以及天线焊接中在这些部位产生的焊瘤或焊料引起的波导高度变化到底会对天线性能产生什么样的影响以及影响的程度有多大，有必要进一步从理论上加以研究，以便相关设计师在后续天线研制中引起注意，避免类似情况的发生。

1 采用某些特殊结构的作用

电磁波在波导内传输时，导波波长一般与波导宽度有关，但是在某些情况下由于结构尺寸的限制，在控制天线外形尺寸不变的情况下，需要缩短某段波导内的导波波长。理论上，可以在波导内加入一些特殊结构，以形成一小段脊波导［2］，如图1所示，其中波导a为常规波导，波导b为加入特殊结构的非常规波导，即在波导一端靠近头部位置，加入一个金属块。同时，其中波导b的外形尺寸要比波导a短一截，可以保持两根波导的端口电特性参数基本不变。所以在天线的外形尺寸存在限制的情况下，这些特殊结构对于缩小天线的尺寸是很有帮助的。

图1 常规波导与非常规波导外形结构图

可以通过仿真计算的结果来比较两种波导电特性参数情况。如图2所示，其中，纵坐标轴表示波导端口S11相位参数，单位：度；横坐标表示频率，单位：GHz。图中实线表示波导a端口的相位－频率特性曲线，虚线表示波导b端口的相位－频率特性曲线，可以看出，确实在一定的带宽范围内，两根波导的相位特性参数基本一致。

图2 常规波导与非常规波导端口特性参数比较

2 焊接中产生的问题及危害

对于金加工及焊接工艺来说，常规波导的加工及焊接相对比较容易，即使在波导的四个边角有一些焊根存在，因为在这些波导边角位置电磁场强度较小（如图3所示波导a），不会对波导的电特性参数造成严重的影响。但在波导中加入这种特殊结构以后，波导腔内的结构不再保持连续（如图3所示波导b），在置入的特殊结构周围的电磁场强度明显大于常规波导，同时该部位的导波波长明显变短［3］。如果在这些部位存在一些焊根，就有可能对波导中的电特性参数产生严重的影响。

图3 常规波导与非常规波导内部电磁场分布比较图

根据对焊接工艺的分析，同时结合对天线焊接情况的解剖，目前天线焊接中实际存在的主要问题有两个：其一就是由于焊料引起的波导高度尺寸变化控制精度还不够，其二就是局部位置焊根太大，容易形成焊瘤，下面主要针对这两种情况，利用仿真手段进一步分析这些问题对于常规波导与非常规波导电特性参数的影响。

2．1 焊料填充引起的波导高度变化效应

在非常规波导中，由于在波导的一端置入一个金属块，如图4上半部分所示，从而使局部的波导高度由a变为a－b，假定焊料填充引起的波导高度变化量为Δa，理论上，Δa确定的话，那么波导高度越小，对于波导内电特性参数影响越大。所以对于非常规波导而言，由于（a－b）＜a，即Δa／（a－b）＞Δa／a，所以由Δa引起的波导内电特性参数的变化程度要大于常规波导，图4下半部分所示图表中：纵坐标轴表示波导端口S11相位参数，单位：度；横坐标表示频率，单位：GHz。其中实线与虚线表示当Δa分别为0 mm及0．1 mm时，图中上半部分所示非常规波导的相位特性变化达到8°左右。且Δa越大，非常规波导的相位特性变化也将越大。

图4 非常规波导高度变化时内部电场相位参数变化曲线

而在常规波导中，由图5下半部分所示图表中，纵坐标轴表示波导端口S11相位参数，单位：度；横坐标表示频率，单位：GHz。图中可以看出，当Δa为0 mm及0．1 mm时，实线与虚线则基本重合，所以，对于常规波导，当Δa为0 mm及0．1 mm时，其端口S11相位特性参数则基本没有什么变化。所以如果天线采用的是常规波导的话，由于a＞（a－b），由引起的波导内电特性参数的变化很小，即使在天线焊接中对于波导高度尺寸控制不太好，Δa有一些变化，也不会引起天线性能恶化。而对于非常规波导，由Δa引起的波导内电特性参数的变化则较大，在天线焊接中对于波导高度尺寸控制不好，Δa有一些变化，就会最终导致天线性能恶化。

图5 常规波导高度变化时内部电场相位参数变化曲线

2．2 小缝隙引起的多余焊料浸润效应

另外，非常规波导中，由于在波导一端置入一个金属块，由图6上半部分可见，金属块与波导一端的间隙c比较小的话，在天线焊接时，可能会由于多余焊料没控制好，从而有多余焊料进入该间隙，引起波导内电磁场特性参数的变化，该变化可以由图6下半部分的波导内电磁场相位特性参数曲线明显表示出来。图中纵坐标轴表示波导端口S11相位参数，单位：度；横坐标表示频率，单位：GHz。其中实线表示没有多余焊料的情况，虚线表示多余焊料进入间隙c的情况，比较两条曲线可以看出，该相位特性变化达到50°左右。一般在平板缝隙阵列天线设计工作中，波导内部电场相位参数与设计值偏差50°，对整个天线的性能影响是毁灭性的，是天线设计所必须要避免的。

图6 多余焊料浸润效应引起的内部电场相位参数变化曲线

3 结论

综上分析可见，相对于采用常规波导设计的天线，采用非常规波导设计的天线在焊接中，由焊料填充引起的波导高度变化效应会对天线的性能产生较大的影响。同时，多余的焊料浸润效应引起的内部电场相位参数变化对天线性能的影响，要比前述影响更加严重。所以作为天线设计师来说，在平时天线设计工作中，如果天线焊接工艺不能保证杜绝多余的焊料浸润效应或控制好波导高度的情况下，应尽量避免采用上述分析中类似的特殊结构形式，以免最终无法保证天线性能。

由于天线外形结构尺寸的限制，不得以采用上述分析中类似的结构形式时，必须采取严格的工艺措施：其一要在焊接工艺中控制好波导高度的变化，使波导高度尽量接近设计值；其二是要杜绝多余的焊料浸润效应的发生，才能保证焊接出的天线最终达到设计的性能指标。

［1］ 毛康侯、沈心雄、袁刚直，等．防空导弹天线［M］．北京：宇航出版社，1991．

［2］ 黄虹，译．单脉冲雷达［M］．北京：国防工业出版社，1974．

［3］ 林昌禄、陈海、吴为公，等．近代天线设计［M］．北京：人民邮电出版社，1987．