一种X波段波导宽边缝隙天线的设计方法

包立琦

(甘肃长风电子科技有限责任公司，甘肃 兰州 730070)

现如今天线的形式种类繁多,有各种反射面天线、波导缝隙天线、微带贴片天线及形式多样的共面天线，其中波导宽边裂缝天线是当今应用较为广泛的一种主流天线。该种类型的天线相比传统类型的抛物面天线来说，体积小重量轻且天线增益效率高；虽然微带天线的体积也可以做的更小，但是微带天线的耐功率能力和天线效率都是远远比不上波导裂缝天线的，而且波导缝隙天线的口径能量分布可以通过辐射缝的偏置精准控制，易于实现天线的低旁瓣性能，正因为上述优势的存在，使得波导裂缝天线在各种雷达天线系统中成为首选的天线形式。

1 X波段波导缝隙天线设计思路

波导裂缝平板天线通常由辐射阵面、耦合功分网络和馈电网络三部分组成，其中辐射阵面作为天线的电磁波辐射界面，由众多的辐射单元组成，平面波导缝阵天线的辐射单元是波导面上开出的众多辐射缝。这些辐射缝辐射微波功率的大小，由辐射单元进行能量配送的线阵波导以及给这些线阵波导馈电的功分耦合波导所决定，它们一起构成了整个阵列的馈电网络系统。辐射缝隙有开在波导宽边上的纵向横向辐射缝隙，也有开在波导窄边上的倾斜缝隙。辐射波导一般是在波导宽边上开一系列横缝组成辐射缝，耦合波导则是在波导宽边中心轴线上开倾斜缝向辐射波导耦合能量。我们今天讨论的主要是波导宽边辐射缝偏置的一种计算方法[1]。

2.1 裂缝天线辐射、耦合波导尺寸的计算

依据阵列天线基本理论，只有当相邻辐射单元之间的距离约为导内半波长时，天线的辐射方向图才不会出现栅瓣，此时天线的增益效率也是比较高的，因此在设计波导缝隙天线时首先要确保相邻辐射缝之间的距离为λg/2mm(λg为波导导内波长)，为保证所有辐射缝隙的相位一致，要求相邻辐射裂缝相互置于波导中心线两边；相邻耦合缝之间的距离也为λg/2mm，为补偿此间距的反相问题，在输入相位一致的情况下，一般都要将相邻耦合缝的倾角反相排布[2]。

在实际使用过程当中，为了减小天线的厚度和重量，我们一般都会对辐射波导、耦合波导及馈电波导的尺寸进行计算并压缩。为了保证所有辐射缝隙的相位一致，要求每根辐射波导的相位要一致，因此对耦合波导的宽边尺寸按下式计算，用a′表示耦合波导宽边尺寸，则：

(1)

式中，δ为波导壁厚，mm。

为了保证天线的辐射效率，一般情况下波导壁厚不宜取得太大，在能满足结构强度的要求之下，我们暂定该天线的壁厚为1mm。根据该公式计算满足要求的辐射波导和耦合波导的尺寸有多种组合，为了使天线的工作带宽尽可能的大，我们尽量使辐射波导和耦合波导的宽边尺寸一致，这样也有利于后期的加工。经过计算我们设计的这款波导裂缝天线辐射和耦合波导尺寸最终确定为(22.08×6)mm。

2.2 天线口径面幅度分布

天线口径上的幅度分布是决定天线副瓣电平、增益的关键因素，根据给定天线的几何尺寸和外形，可计算出此天线的增益和波束宽度；根据安装空间的限定可知此天线外形接近于半圆，辐射波导和耦合波导的尺寸确定之后就可以画出此裂缝天线的整体外形和辐射缝的分布情况，天线外形图1所示[3]。

图1 平板天线外形布局图

天线方向图的加权方式很多，常用的有泰勒加权、切比雪夫加权等方式，本设计案例中对天线的口径面分布选为taylor加权圆口径分布，根据天线方位面和俯仰面给定的旁瓣指标和天线辐射单元缝隙数，用MATLAB软件可以仿真计算出天线的方向图和每个辐射缝的电平分布情况：

图2 天线仿真方向图

分析图2可以得知，该仿真方向图旁瓣参数符合设计指标，波束宽度与理论计算基本吻合，各个辐射缝隙的电流an分布如表1所示。

表1 平板裂缝天线辐射缝电流

(续表)

2.3 天线变量的设计及计算

2.3.1 辐射缝宽的计算

在设计波导裂缝天线时，计算确定好辐射、耦合波导尺寸之后，就该确定辐射缝宽了，辐射缝隙W的宽度一般要满足如下要求：

(2)

本方案中辐射缝隙w的宽度经过计算最终确定为2.3mm[4]。

2.3.2 辐射缝长的计算

表2 辐射缝长度

2.3.3 缝隙偏置的计算

波导裂缝天线的缝隙偏置直接决定着天线各个辐射口的能量分布，天线的旁瓣和增益等都与此有直接关系，以往关于缝隙偏置的计算方法是很复杂的，本方案中缝隙偏置的计算方法简单明了，适合于缝隙数目较少的裂缝天线计算仿真。计算过程如下：

波导宽边上的纵向并联辐射缝隙的电导为

(3)

根据平板裂缝天线基本理论，当对辐射波导中心馈电时，在此根波导上全部辐射裂缝的有源导纳之和为2，,对辐射缝隙的电流分布根据下式进行归一化

(4)

根据式(4)可求得K，由下式可以得到各个缝隙的导纳值：

(5)

辐射波导的尺寸确定为22.14mm，根据公式可计算出各个辐射缝隙的偏移量Offset：

(6)

该天线的各个缝隙的偏置和8根波导的模电压经计算如表3、表4所示。

表3 辐射缝隙偏置

表4 激励波导模电压

2.4 天线口径增益的计算方法

天线的增益大小与天线的方向性系数有直接关系，天线增益由天线口径、工作频率所决定，根据天线工程手册，波导裂缝天线的增益可按式(7)进行计算。

(7)

式中η是天线口径面效率，在本案例中按0.65计算。根据公式(7)计算天线增益后，为了使增益计算值更加接近测试结果，还需要减去天线的系统插损，本天线的因为结构较为简单，所以系统损耗大致估算为0.5dB，最终天线的增益经计算满足指标要求[5]。

3 裂缝天线方向图的仿真优化

通过上述一系列方法确定了裂缝天线的各个参数尺寸之后，我们在HFSS或CST中进行建模仿真，经过不断的仿真优化，该天线的和、差路方向图分别如图3、图4所示。

图3 裂缝天线和路方向图

图4 裂缝天线差路方向图

通过缝隙仿真方向图可以看出：该天线的方向图符合波导缝隙阵列天线的设计理论，和、差路各项参数满足指标要求，可以进行后续的投产加工工作。

4 结束语

本设计思路中天线的优化多是通过HFSS仿真进行设计，所以关于天线的互耦误差分析还需要后续该经，以便能够有精确的理论分析。该平板裂缝天线的设计方法简单实用，当天线的辐射缝隙较少时，可以使用该设计思路进行设计仿真。用该方法设计加工两套X波段裂缝天线，经过在微波暗室平面近场进行测试验证，天线辐射性能满足使用要求，工作带宽达到了3.5%，达到了预期的设计要求。