波导平板裂缝天线阵的设计

波导平板裂缝天线阵的设计

金剑,万笑梅,汪伟,金谋平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230031)

摘　要:利用商业软件HFSS的S参数仿真结果,采用等效网络法对矩形波导宽边纵缝进行互耦环境下的导纳计算;并利用天线远场幅度、相位方向图仿真结果,采用口径场反演方法,对阵中辐射缝参数进行修正。通过设计实例,验证了该方法非常适合于平板裂缝天线阵的设计,有效地提高了设计效率。

关键词:波导;缝隙天线阵;天线阵设计;有源导纳

中图分类号:TN823+.24;TN957.2 文献标识码:A 文章编号:167222337(2007)0320232204 Design of Planar Waveguide Slotted Antenna Arrays

J IN Jian,WAN Xiao2mei,WAN G Wei,J IN Mou2ping

(N o.38Research I nstit ute of C E T C,Hef ei230031,Chi na)

Abstract:　The active admittance of a rectangular waveguide longitudinal slot is determined using the S parameter simulation results of commercial software HFSS and the equivalent network method in that the internal and external mutual couplings are taken into account.The aperture distribution is determined using re2deducing method and antenna simulative amplitude/phase patterns obtained by software HFSS,and the radiating slot dimensions are modified,thus good radiation patterns are ing the proposed meth2 od,planar waveguide slotted arrays can be designed easily and economically.

K ey w ords:　waveguide;slotted antenna array;antenna array design;active admittance

1　引言

波导平板裂缝天线具有效率高、体积小、重量轻、结构紧凑,易获得高增益、低副瓣等特点,在雷达和微波通信系统中获得了广泛的应用。对于平板缝隙阵,互耦影响较大,故计算辐射缝隙电导时必须考虑内部互耦和外部互耦。

在实际天线设计中,确定波导缝隙有源导纳的方法主要有两种,即实验测量和理论计算[124]。前者是先加工相同偏置、相同缝长的一组小阵,再测量其S参数来求缝的导纳。该方法加工测试量很大、周期长并且成本高;后者一般采用Elliott提出的有源导纳设计方法进行数值计算或采用等效磁流片法分析,采用矩量法求解。该方法考虑互耦的计算比较繁复。商业软件的迅速发展,使通过仿真精确计算辐射缝隙自导纳和有源导纳成为可能[526]。另外,由于辐射缝隙受馈电缝、短路板的影响[7],以及边缘辐射缝的影响,导纳将发生改变,造成口径场的幅相分布恶化,进而影响天线的辐射性能。

本文给出一种利用H FSS仿真结合传输矩阵法确定波导缝隙有源导纳值,并通过仿真的远场幅度相位方向图数据反演天线的口径场,在此基础上对辐射缝进行修正。该方法的使用,可实现平板裂缝天线阵的设计一次成功,极大地提高了设计效率。

2　导纳的计算

小阵由若干根线源组成,每根线源上有N个相同偏置、相同缝长的纵缝,如图1所示。这样求得的缝电导既考虑了内部互耦,又考虑了外部互耦,并且缝的长度可以方便地进行调节,省去了实验件的加工。小阵规模的选取原则是算出的导纳误差满足设计需要。采用Ansoft HFSS等商业软

第3期2007年6月

雷达科学与技术

R a d a r S c i e nc e a nd Te c hnology

Vol.5No.3

J une2007

收稿日期:2006207216;修回日期:2006209222基金项目:国防预研项目

件,可以精确地仿真得到该模型开缝波导的S

参数

。

图1　小阵的仿真模型

对于单根线源而言,其等效电路如图2所示。

这样,可以利用网络T 参数的级联来等效N 个缝隙的总网络参数,从而将网络简化为一简单的二端口网络,其传输矩阵为

T d =e j β

d 0

0e -j β

d

　y i =1+y i /2y i /2-y i /

21-y i /2T g =(T l 13y i )

N

3T l 2　π

S 11S 12S 21

S 22

=

T 12/T 21

-(T 12T 21/T 22)1/T 22

-T 21/T 22

Γin =

b 1a 1=S 11+S 12S 21Γl

1

-S 22Γl

(1)式中,d =l 1,l 2,N 为缝隙个数,Γin 为小阵仿真的反射系数,Γ

l =-1,Y i 为所求的缝导纳。

其S 参数可利用软件仿真求得。通过Matlab 编程,利用牛顿法求解上式,可得到有源导纳曲线。

图2　线阵模型的等效电路

图3给出了一Ku 波段缝隙导纳的计算结果。

改变缝的偏置和缝长,重复以上步骤便可计算出一组导纳值,并拟合出谐振电导、谐振长度与偏置量的关系曲线,如图4所示。

3　天线阵孔径修正

具体设计天线阵时,要根据技术要求,综合考虑

副瓣、波瓣宽度和增益诸因素,进行天线口径的加权。

根据拟合的谐振电导、谐振长度与偏置量的曲线,进行插值,即可求得所需的偏置和缝长的设计参数,进而设计出整个天线阵。

拟合的两条曲线是辐射缝在理想阵互耦环境下的结果,而实际阵列中辐射缝受耦合缝和短路板

3

322007年第3期

金剑:波导平板裂缝天线阵的设计