一种低副瓣高增益裂缝天线的设计

张成果，石 磊，袁 洪

(1.91278部队，辽宁 大连116041；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种低副瓣高增益裂缝天线的设计

张成果1，石 磊2，袁 洪2

(1.91278部队，辽宁 大连116041；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

介绍了一种新的波导裂缝天线设计的方法。该方法根据Elliott的经典理论给出理想状态下的辐射缝隙参数与线源口径分布的数学关系，利用电磁仿真软件提取不同状态下裂缝的参数，拟合得到辐射缝隙电导和裂缝位置长度等物理量间的关系，由此计算出缝隙的各个参量。与传统方法相比，该方法省去了实验测试的环节，提高了设计精度，缩短了设计周期，满足了低副瓣的设计需求。

波导裂缝天线；低副瓣；高增益

0 引 言

波导裂缝天线阵由于结构紧凑、重量轻、加工方便、低成本、高增益并且易于实现超低副瓣等优点而得到了广泛应用。其基本原理是利用在波导宽壁或窄壁上开有的裂缝来切断波导壁上的电流而产生辐射。波导裂缝的辐射强度和相位可以通过改变裂缝偏置或倾角来控制。传统波导裂缝天线设计时需要制作若干不同物理参量的裂缝天线试验件，通过测量的方法提取裂缝的电参数。设计周期长成本高，且精度有限。本文利用Elliott关于波导裂缝的理论基础[1]，结合计算机仿真的方法，提取了裂缝电参数。与以往的传统设计方法相比，本设计方法不需要通过试验测试环节来得到缝隙电参数，使得设计周期和成本大大减少。设计精度的提高可实现低副瓣的要求。最后，通过对天线增加反射板的方法使得增益得到了很大提高。

1 设计原理和方法

1.1 缝隙和线源选择

常用的波导裂缝有宽边偏置缝、宽边倾斜缝和窄边倾斜缝，如图1所示。宽边偏置缝常用作平板裂缝天线的辐射单元。宽边倾斜缝可用作馈电单元。窄边倾斜缝多用作水平极化天线。根据垂直极化的需求，这里采用宽边偏置缝为辐射单元。

图1 宽边偏置缝、宽边倾斜缝和窄边倾斜缝

根据电磁波在波导内的传播方式，波导裂缝天线可分为驻波阵和行波阵。当波导终端短路且相邻缝隙间距为导内波长一半时，波导内的电场分布呈驻波状态，叫作驻波阵。图2为宽边裂缝的驻波阵。

图2(a) 宽边纵向并联缝隙驻波阵

图2(b) 宽边倾斜串联缝隙

行波阵是指波导终端接负载以吸收剩余功率的缝隙阵列天线。这种阵列缝隙单元间距不等于λg/2，波导内场接近行波场分布规律，因此称为行波阵。本天线采用单根波导，选用行波阵以达到较高的辐射效率。

1.2 裂缝参数的计算

1.2.1 行波阵的设计方法

当所有裂缝以等间距d≠λg/2排列在一根波导上且最后一个缝后接匹配负载时阵列为行波阵(非谐振阵)时，模电压的幅度不再相等。其等效电路如图3所示。

图3 行波阵等效电路

对于行波阵来说，由于每个缝隙间距不等于半导内波长，因此每个缝隙间会有一个固定的相位差，导致波束方向在H面内偏移。对于缝隙间距d，不能过小导致缝隙重叠，也不能过大导致栅瓣产生。因此，缝间距d有一个范围，即

主瓣方向为

在阵元数目较多的情况下，每个缝隙的辐射功率仅是总功率的一小部分。因此，每个缝隙可看作波导中的一个小的不连续，它对入射波产生较小的反射。此外，由于缝隙间距不等于半导内波长，各缝隙产生的发射也不能同相叠加，因此在阵列的输入端驻波较小[2]。

设阵列输入功率为1，令r为匹配负载的吸收功率，则第N个缝隙处的入射功率为r+PN，在等效电路特性阻抗归一化的条件下，此缝隙的等效电压VN与入射功率满足

另外，等效输入电导为gN的缝隙，其辐射功率为

由上两式可推出：

因此

由此可递推得到

(1)

对于阵列的幅度分布和单元的辐射功率，有如下的关系：

两边求和可得到

(2)

阵列幅度分布和吸收功率都是已知的，由此可求出常数K，进而可求得每个缝隙的辐射功率Pn，从而可得到每个缝隙的电导值。再根据实验或仿真得到的拟合数据，可求出每一个缝隙的偏置量和谐振长度。

1.2.2 仿真数据拟合

对20个等参量的缝隙线阵进行仿真，得到一系列不同缝隙物理参数下的电导数据。将电导参量和缝隙物理量进行拟合，得到电参量与物理参量之间的关系。

谐振长度与偏置量的拟合方程为

v(x)=k(7.6962+0.0143x2)

归一化电导与偏置量的拟合方程为

g(x)=0.0348x2-0.000555x+0.000042

根据拟合方程和计算得到的电导值即可算出缝隙的偏置量和长度。

图4 谐振长度与偏置量的拟合曲线

图5 归一化电导与偏置量的拟合曲线

1.3 反射板的设计

根据天线指标中对俯仰面波宽和增益的要求，单一线源并不能满足，需在天线上下两边增加反射板来达到波束变窄的效果。依据最佳喇叭的主瓣宽度公式：

由此可计算得到反射板长85 mm，两反射板与水平面夹角12.5°，反射板之间夹角25°。

图6 反射板结构示意图

2 仿真和测试结果

2.1 仿真结果

设计天线全长2500 mm左右，裂缝共93个，根据仿真优化结果得到裂缝宽度w=1.56 mm。波导采用BJ-100标准波导，宽边尺寸22.86 mm，窄边尺寸10.16 mm，壁厚1 mm。仿真结果如表1(其中fn+1-fn=10 MHz)。图7和图8为仿真结果的方向图。

2.2 测试结果

天线在近场进行了扫描测试，结果如表2。图9和图10为测试结果的方向图。

表1 仿真结果

图7 带反射板的波导线源方位面方向图

图8 带反射板的波导线源俯仰面方向图

表2 扫描测试结果

图9 方位面方向图

图10 俯仰面方向图

3 结束语

本文以波导裂缝的经典电磁理论为基础，结合电磁仿真软件的应用，通过对缝隙电导参数的仿真和拟合，省去以往波导裂缝天线设计中的实验环节，使得设计周期和成本大大减小。采用一定数量的同参量缝隙进行仿真，得到了互耦状态下的裂缝参数值，减少了繁琐的互耦计算，提高了设计精度，可更好地实现低副瓣。根据仿真结果和实测结果的对比，其结果吻合很好，证明了此方法的准确性。此方法的特点是通过电磁仿真软件快速提取参数，由此可推广至所有的波导裂缝天线的设计，可大大提高天线工程设计的效率。

[1] Robert S Elliott. Antenna Theory and Design[M]. New Jersey,Pretice-Hall,Inc.,1981.

[2] Robert S Elliott.On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 1979,27(5).

Design of low-sidelobe high-gain slotted arrays

ZHANG Cheng-guo1, SHI Lei2, YUAN Hong2

(1.Unit 91278 of the PLA, Dalian 116041, China; 2.No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A new method of the waveguide slotted arrays is designed. According to the classical theory of Elliott, the mathematical relationship of the radiating slot parameters and the linear source caliber distribution under an ideal condition is given. The parameters of the slots under different conditions are gained through the electromagnetic simulation software. The simulation data are fitted, and then the relationships of the radiating slot conductance and the location and length of the slots are got. All the parameters of the slots are calculated. Compared with the conventional methods, this method features higher design accuracy and shorter design cycle with the test steps saved, meeting the requirements of the low sidelobe.

waveguide slotted arrays; low sidelobe; high gain

2014-10-20

作者简介：张成果(1969-)，男，高级工程师，研究方向：雷达总体技术；石磊(1983-)，工程师，硕士，研究方向:天线馈线设计;袁洪：1981年生，工程师，硕士，研究方向为天线仿真设计。

TN823.24

A

1009-0401(2014)04-0046-04