宽带单脊波导缝隙天线阵设计

１５４
中国谚；纠譬研京Ｆ囊学瓤
２００７年第２期
波导中激励起ＴＥ，。模式。通过仿真计算，得到Ｔ形 功分器的最佳匹配状态。图３给出了优化半高波导 到单脊波导Ｔ形接头的反射损耗曲线。
完成以上设计步骤，将功分网络与４个谐振子 阵结合，适当调整各结构参数，优化得到天线阵的最 大匹配阻抗带宽。根据设计所得尺寸，加工一个１４ ×１６辐射单元的波导线阵，如图４所示。天线的电 压驻波比测试结果见图５，由于加工的内脊尺寸ｏ， 超差达ｏ．１４ ｍｍ，与计算结果比较，测试结果偏高
２：２０１—２０４．
［６］ ＭＡｚＥＮ ＨＡＭＡＤＡＬＬＡＨ． Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｎ
Ｂ瑚ｄ—Ｂａｎｄ Ｐｅ而瑚ａｎｃｅ ｏｆ Ｓｈｕｎｔ Ｓｌｏｔ Ａｍｙｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ
‘Ｉｈｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｐｍｐａｇａｔ，１９８９，３７（７）：８１７－８２３． 作者简介
金剑（１９８１一），男，江苏宿迁人，工 程师，主要研究方向为天线与微波技术；
ＪＩＮ Ｊｉａｎｌ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉｌ…，ＷＡＮ Ｘｉａｏ．ｍｅｉｌ （１．ＥａＬｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＥｌｅｃｔｍＩｌｉｃ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３ ｌ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈ００ｌ ０ｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆ０珊ａｔｉｏｎ Ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
频。实验结果显示，在８．８～９．９ ＧＨｚ范围内，晒］艘
＜１．５，相对带宽达到１１．３％。天线的辐射方向图 和交叉极化在室内近场测得，图６给出８．８ ＧＨｚ、９．２ ＧＨｚ、９．６ ＧＨｚ、９．９ ＧＨｚ ４个频率的辐射方向图及其 交叉极化测试值，４个频率上最大副瓣电平为一１２． ０ ｄＢ，交叉极化都优于一４０ ｄＢ。
波比小于１．５时，四元谐振阵工作带宽只有４．７％。
由于上述方法忽略了互耦，与天线阵实际值相差较
大，为了得到更为精确的估算，需要考虑阵中单元互
万方数据
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图３ 四单元驻波阵和Ｔ形接头输入电压驻波比
根据设计需要，选取脊波导ｏ，＝６．６，＾，＝６， ｏ：＝１０，＾：＝５。应用计算机仿真分析，确定开槽尺 寸与其导纳之间的关系，图２给出了一组优化辐射 缝尺寸情况下的归一化导纳值。由于在组阵时存在 内部和外部互耦，这些耦合对每个辐射单元的导纳 值影响较大，所以设计时，需要考虑阵中互耦因素， 在单个缝隙计算尺寸基础上，组阵进行模拟计算，对 辐射缝结构参数进行适当调整。图３给出了４个辐 射单元的驻波阵输入反射特性，电压驻波比小于１．５ 的相对带宽为１０．５％，远远高于（１）式的估算值。
（３）：２１４． ［３］ＪＯＨＮｓＯＮ Ｒ ｃ，ＪＡｓＩＫ Ｈ．Ａｎｔｅｎｎａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄ—
ｂｏｏｋ［Ｍ］．２ｎｄｅｄ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｍｗ—Ｈｉｌｌ，１９８４． ［４］ＫＩＭ Ｄ Ｙ，ＥＬＬｌ０ＴＴ Ｒ ｓ．Ａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｍｃｅｄｕｒｅ ｆｏｒ ｓｌｏｔ
Ａｒｒａｙｓ Ｆｅｄ ｂｙ ｓｉｎｄｅ－Ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔ，１９８８，３６（１１）：１ ５３１—１ ５３６． ［５］ＴＡＫＥｓＨＩＭＡ Ｔ，Ｉｓ０ＧＡＩ Ｙ． Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ Ｓ１０ｔｔｅｄ Ａｒｍｙ Ａｅｒｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｍ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ｅｎｇ，１９６９，
汪 伟（１９６９一），男，安徽霍山人， 博士研究生，主要研究方向为天线与微波 技术；
万笑梅（１９７２一），女，安徽合肥人，工 程师，主要研究方向为电磁场数值计算。
修订日期：２００７旬３—２６
２００７年第２期
金剑等：宽带单脊波导缝隙天线阵设计
１５３
起ｒ１１Ｅｍ模，设计中利用一对梯形膜片置于功分器输 出端口解决这一问题。设计加工一个工作于ｘ波 段的天线阵，测试得到电压驻波比小于１．５的 １１．３％工作带宽。
天线结构见图１，天线阵单元数为１６个，为了 降低天线的宽度，天线阵采用对称单脊波导，辐射缝 隙开在波导的上表面（见于文献［４］图１和图２），脊 波导基本尺寸表示为：脊宽２口，；脊高＾，；波导宽 ２口：，高＾：；辐射槽的长２ｚ，宽伽；偏离波导中心线距 离为戈。为了得到较大的工作带宽，将天线分成４ 个子阵，这样每个驻波子阵只有４个辐射单元，天线 阵由一个１：４功分网络馈电。
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图１ １６元天线阵及膜片结构
２天线阵的设计
对于谐振阵来说，天线工作频带受到辐射单元 数目的限制。单元之间中心间距为Ａ。／２，当工作频 率发生改变时，辐射缝隙的导纳参数发生变化，波导 内的驻波峰值偏离缝隙中心。这两个因素恶化了天 线的输入驻波比，使辐射缝幅度和相位偏离理论要 求的值，从而使天线性能下降。因此，裂缝数越多， 天线的带宽越窄。
天线激励网络对整个天线性能影响非常大，因 此对其优化是必须的。图１所示的馈电网络是由两 级Ｔ接头组成。为了与脊波导的压缩宽度相适应， 功分器采用半高波导，第一级功分器为简单的波导 Ｈ—Ｔ接头。第二级由半高波导直接对脊波导馈 电，由于此种Ｔ形结构馈电半高波导不能在脊波导 内激励起主模，因此，在Ｔ形接头与脊波导内脊连 接处开耦合缝，该耦合缝与Ｈ—Ｔ的电场方向平行， 由于不切割电流，无法耦合能量，因此，设计利用一 对梯形金属膜片置于耦合缝两边，则电流被改变，其 方向近似为两膜片间的连线，通过改变膜片的大小 和切角，可有效地实现耦合缝与脊波导的匹配，在脊
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图６天线Ｅ面辐射方向图和交叉极化
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３ 结语
文中给出一种宽带单脊波导天线阵设计，将线 阵分为４个谐振子阵，由半高波导功分器馈电，应用 一对梯形膜片使半高馈电波导对单脊辐射波导有效 馈电。结合波导宽边纵向缝隙天线阵和Ｔ／Ｒ组件， 这种天线可以作为子阵应用于双极化合成孔径雷达 天线中，构成大型有源相控阵天线。
第２期 ２００７年４月
中国雹；舛譬研需隈学毂
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ ＣＡＥｌｌｒ
Ｖ０１．２ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７
宽带单脊波导缝隙天线阵设计
金剑１，汪伟１”，万笑梅１ （１．华东电子工程研究所，合肥２３００３１； ２．上海大学通信与信息工程学院，上海２０００７２）
摘要：给出了一种新型脊波导宽边缝隙天线阵设计，天线阵被分成几个子阵形式，通过膜片的激 励方式，由一个半高波导功分器馈电。设计、加工了一根１６元波导天线阵，测试得到１１．３％的阻
抗带宽（晒珊＜１．５），天线辐射方向图最大副瓣电平低于一１２ ｄＢ，具有低于一４０ ｄＢ的交叉极化
特性。 关键词：波导；天线；极化 中图分类号：ＴＮ９５７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－５６９２（２００７）０２—１５２旬３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｉｂｄｇｅ ＷａＶｅｇｕｉｄｅ Ｓｌｏｔ Ａｒｒａｙｓ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｂｏａｒｄ ｗａｌｌ ｓｌｏｔｔｅｄ ａｎｔｅｎｎａ ａＩＴａｙ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｏｓｅ ｆｂｅｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｅｘ— ｃｉｔｅｄ ｂｙ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｗｉｒｅｓ ｉｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ． Ａ １６ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａＩＴａｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ．
缝隙天线阵有行波和驻波两个基本馈电方式， 前者是辐射波导一端馈电，另一端接匹配负载，辐射 波导内电磁波为行波状态，设计时根据方向图要求，
选定口径分布和阵长度，计算缝隙电导分布‰３｜；后 者辐射单元间距为半个波导波长，终端短路，其工作 带宽随着阵中单元数增加而降低，因此，如果要得到 较宽的工作带宽，一般要将整个阵分成几个子阵形 式，利用功分网络来对多个子阵馈电。
１天线阵的结构
本文给出一种对称单脊波导谐振阵天线的设 计，１６个单元的天线阵被划分为４个子谐振阵，４个 子阵由一个１：４波导功分器激励。采用单脊波导是 为了降低线阵的宽度，因此其馈电波导功分器也要 满足线阵的宽度限制。我们采用了半高波导Ｈ面Ｔ 形功分结构，基于此结构对对称单脊波导无法激励
收稿日期：２００６．１１讲 万方数据
图４实验天线
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图５天线阵输入驻波比
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波导缝隙天线由于其低损耗、高效率、口径分布 容易控制，便于实现低副瓣和易于机械制造等原因， 已广泛应用于雷达和通信系统。用作辐射单元的波 导缝隙有多种形式¨Ｊ，其中．应用最多的是波导宽边 纵向细缝和窄边开倾斜缝两种。波导宽边缝隙天线 在组成单极化或双极化平面阵时，由于其波导宽度 尺寸的限制，需要通过加脊来降低波导宽边。如何 实现单脊波导的有效馈电和宽带工作就成为研究的 重要内容。
Ｔｈｅ ａｒｒａｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｓ １ １．３％ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｆｂｒ馏甲Ｆ田＜１．５，ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｍ ｉｎ Ｅ—
ｐｌａｎｅ 一１ ２ ｄＢ ｓｉｄｅｌｏｂｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｘｃｅＵｅｎｔ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ—ｐｏｌａｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ＜一４０ｄＢ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ａｎｔｅｎｎａ；ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
参考文献： ［１］ＥＬＬｌ０，ＩＴＩ’Ｒ Ｓ．Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓ咖［Ｍ］．Ｅｎｄｅ—
ｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ，ＮＪ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，１９８１．
［２］ＥＬｕＯｒＩＴｌｌ Ｒ ｓ，ＫｕＲＴＹ Ｌ Ａ．Ｔｈｅ Ｄｅｓ咖ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｌｏｔ Ａｍｙｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔ肼ｌｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｍｐｇａｔ， １９７８，２６
谐振阵的输入电压驻波比（ＶｓｗＲ）与裂缝数Ⅳ 及相对带宽Ｂ之间的近似关系∞１为
一磊礴 式中，
掣·『１＋＋筹掣１ 晒珊＝·＋砉ｎ ＋丢“√’、／·＋丢口
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解决带宽问题常用的方法是将天线划分成几个
子阵，减少单根辐射波导上的单元数，各个子阵由馈
电网络激励。根据（１）式估算，当要求线阵电压驻