一种抑制波导窄边缝隙阵列天线交叉极化的方法

陈晓鹏，陈文俊，石 磊

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

一种抑制波导窄边缝隙阵列天线交叉极化的方法

陈晓鹏，陈文俊，石 磊

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

为了抑制波导窄边缝隙阵列天线交叉极化电平，采用一种在波导外壁开非倾斜缝隙、在波导内壁开倾斜缝隙的方法。利用电磁仿真软件HFSS进行仿真，得到孤立缝隙与阵中单个缝隙的电导函数。设计了一个47单元X波段波导窄边缝隙均匀直线阵列，与常规缝隙阵列相比，天线交叉极化电平降低了6.8 dB。

波导窄边缝隙阵列；非倾斜缝隙；HFSS；交叉极化

0 引 言

波导缝隙阵天线以其天线口径幅度分布容易控制、口径利用率高、易获得高增益和低副瓣特性等优点，被广泛应用于雷达和微波通信系统。

对波导窄边斜缝天线阵，由于缝隙倾斜引起较高的交叉极化电平，设计时必须采取适当方法进行抑制。对单根波导情况，可在缝隙阵前方加装平行栅网、直接在缝隙阵上加装平行隔板或利用扼流槽抑制交叉极化所激励的表面电流[1]，也可以通过调整天线与地板的间距，使交叉极化反射波与直射波相消[2]。对波导阵列的情况，可将相邻的两根波导对称放置，使交叉极化反相[3]。

另一种抑制波导窄边缝隙交叉极化电平的方法是在窄边开非倾斜缝隙。这种辐射缝隙垂直于波导轴线，只有平行于波导轴线的电场分量，有优越的交叉极化特性。自20世纪80年代开始，国内外学者陆续提出了多种非倾斜缝隙单元[4-9]，在非倾斜缝隙附近放置不同形式的扰动块，如销钉、金属膜片、矩形块、寄生偶极子等，使非倾斜缝切割波导内壁电流产生辐射。扰动块物理尺寸、位置都与缝隙单元的等效电导密切相关，精确计算难度大，目前常用于均匀直线阵列的设计[9]。

本文基于波导扭转元件[10]改变电磁波极化方向的原理，提出一种在波导外壁开非倾斜缝、在波导内壁开倾斜缝的扭转缝隙。这种缝隙不外加装置，单根波导即能较好地抑制交叉极化电平。仿真设计了一个47单元X波段波导窄边缝隙均匀直线阵列。

与常规缝隙阵列相比，该天线具有抑制交叉极化的特性。

1 交叉极化抑制原理

图1是常规波导窄边倾斜缝隙，波导内壁电流线被倾斜缝隙切割，能量被耦合出来。图中虚线所在平面为波导内壁所在平面，内壁上的缝隙感应电场矢量垂直于缝隙长度方向，与波导轴线成一定夹角。缝隙在内壁与外壁之间的腔体等效于一小段波导，电磁波由内壁传播至外壁，电场极化方向不变。波导外壁缝隙电场可分解为平行于波导轴线的分量和垂直于波导轴线的分量，垂直分量为交叉极化分量。

图1 常规波导窄边倾斜缝隙示意图

图2给出了扭转缝隙的结构示意图，内壁缝隙与图1相同，外壁缝隙垂直于波导轴线。内外缝隙几何中心重合，与波导扭转元件相同，可改变电场的极化方向而不改变其传输方向。扭转缝隙与常规缝隙在内壁所开缝隙相同，切割相同内壁电流，同样倾斜角度的内壁缝隙耦合出的能量相同。在扭转缝隙腔体内，电场矢量方向总是垂直于腔体内表面，电磁波从内壁传播至外壁，电场方向逐渐改变。外壁缝隙上的电场矢量方向平行于波导轴线，没有垂直于波导轴线的分量，因此可抑制交叉极化电平。

图2 改进波导窄边缝隙示意图

2 缝隙等效电导

孤立缝隙等效电路如图3，Pin为输入功率，Pr为缝隙辐射功率，PL为负载吸收功率，功率指有功功率。yL代表负载归一化导纳，y=g+jb代表缝隙归一化等效导纳,g为缝隙归一化等效电导，b为缝隙归一化等效电纳。缝隙等效导纳消耗的能量即为缝隙辐射能量。

图3 孤立缝隙等效电路

各功率间关系为

PL=Pin-Pr

(1)

两边除以PL，即

(2)

对匹配负载yL=1，有

(3)

因此

(4)

其中r=PL/Pin为匹配负载相对吸收功率。

在HFSS中建模仿真，提取S参数，用式(5)计算r，代入(4)式计算g。

(5)

扫描切入深度，取g最大时的深度为谐振深度。改变缝隙倾斜角度，依次得到不同倾角对应的归一化谐振电导，如图4曲线1。

由于线阵中辐射单元间存在互相耦合，其有源导纳值将偏离孤立缝隙导纳值。建立47个尺寸完全相同缝隙组成的线阵模型进行仿真，各缝隙间距与实际间距相同，相邻缝隙交替倒向。用文献[1]的方法计算有源导纳值，如图4曲线2。

图4 缝隙谐振电导

图4显示，阵中单个缝隙的有源谐振电导大于孤立缝隙的谐振电导，阵中单个缝隙的辐射能力大于孤立缝隙。曲线3为常规缝隙的有源谐振电导，比较曲线2和3，相同倾斜角度对应的谐振电导几乎相等，因此外壁开非倾斜缝隙而内壁缝隙不变，不改变缝隙的辐射能力。

3 缝隙阵列天线设计

用扭转缝隙作辐射单元设计一个47单元均匀直线行波阵。图5是仿真结果方向图，左右交叉极化瓣分别为-26.9 dB和-24.6 dB。 图6是用常规缝隙设计的47单元均匀直线行波阵天线方向图，缝隙倾斜角度与扭转缝隙相同。图5、6显示，扭转缝隙设计的均匀直线阵列，左右交叉极化电平分别比常规缝隙低6.8 dB和6.9 dB。

图5 扭转缝隙均匀直线阵方向图

图6 常规缝隙均匀直线阵方向图

常规缝隙阵和扭转缝隙阵的增益分别为21.6 dB和21.8 dB，归一化副瓣最大值分别为-12.7 dB和-13.5 dB。

图7是常规缝隙均匀直线阵和扭转缝隙均匀直线阵馈电端电压驻波比比较图，电压驻波比小于1.09的带宽变化不大。f0为天线工作中心频率，在中心频率f0及高频f>f0,扭转缝隙阵的电压驻波比小于常规缝隙；在低频f

图7 馈电端电压驻波比比较图

4 结束语

本文提出一种单根波导不外加其他装置抑制交叉极化的方法，在波导内壁开倾斜缝隙，在外壁开非倾斜缝隙，结合了常规缝隙电导函数容易提取的特性和非倾斜缝隙的低交叉极化特性。分别以常规缝隙和扭转缝隙设计了47单元均匀直线阵列。仿真结果显示扭转缝隙阵可将交叉极化改善6dB以上，增益、副瓣电平等指标参数优于常规缝隙阵。

[1] 钟顺时.波导窄边裂缝天线的设计[J].西北电信工程学院学报，1976,1(1):165-184.

[2] 史永康，等.一种窄边波导缝隙行波阵天线抑制交叉极化的新方法[J].遥测遥控，2011,32(3):51-54.

[3] 张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] Johnson R C, Jasik H. Antenna Engineering Handbook [M]. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1984.

[5] Shahrokh H Y,Robert S E.Analysis of untilted edge slots excited by tilted wires [J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagation, 1990, 38(11):1737-1745.

[6] 汪伟，金剑，钟顺时.宽频带膜片激励波导窄边非倾斜缝隙阵天线[J].微波学报，2005，21(5):30-33.

[7] 宋国栋，李建新，张金平，等. 新型双极化波导缝隙天线研究[J].现代雷达，2010,32(12)： 67-71.

[8] Sara M G, Alejandro V N, Jose I H. Excitation of untilted narrow-wall slot in groove gap waveguide by using a parasitic dipole//7th European Conference on Antennas and Propagation,2013:3082-3085.

[9] 陈虎，何丙发. 低副瓣波导窄边非倾斜缝天线研究[J].现代雷达，2013,35(7)： 45-49.

[10] 刘学观，郭辉萍. 微波技术与天线[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,2006.

A method of cross polarization suppression of waveguide narrow-wall slot arrays

CHEN Xiao-peng, CHEN Wen-jun, SHI Lei

(No. 724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

In order to suppress the cross polarization level of the waveguide narrow-wall slot arrays, the waveguide with untilted slots on the outside wall and tilted slots on the inside wall is adopted. HFSS is used to do the simulation to get the conductance function of the isolated slot and the single slot in arrays. A 47-element X-band waveguide narrow-wall uniformly linear slot array is designed. The cross polarization level is suppressed by 6.8 dB compared with the conventional slot arrays.

waveguide narrow-wall slot array; untilted slot; HFSS; cross polarization

2013-11-12；

2013-12-02

陈晓鹏(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：微波天线技术；陈文俊(1970-)，男，博士，研究员，研究方向：微波技术； 石磊(1983-)，男，工程师，硕士，研究方向：天馈线设计。

TN814

A

1009-0401(2014)01-0022-03