一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真_李高升
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为使波导魔 T 端口匹配 ,四个支臂的交接处要安装匹 配装置 , 如金属膜片、圆杆, 选择尺寸 、位置, 使反射波与接
头处不连续性造成的反射波抵消 , 实现匹配 。在弹载 、星
载情况下 , 对体积 、重量要求高 ,一般采用折叠魔 T 。 折叠魔 T 匹配调谐困难 , 且调谐部分结构较复杂 ,
加工要求高 。耦合谐振波导魔 T 利用波导宽臂上开的耦 合谐振缝实现 E 臂功能 , 简化了结构 , 以便有利于加工 。 当 T E10主模从 E 臂输入时 , 耦合缝切割 E 臂波导的内表 面电流 , 形成小的辐射口径面 , 将 E 臂中的能量耦合到下 面的波导中 。由于耦合缝位于 H 臂中轴线 , 不能在 H 臂 中激励起 TE10 模 , 从而实现 E , H 两臂隔离 。
分配系 数 。 对于 第 j 根波 导 , 功 率 分配 系数 为 Cj =
n
∑ f i 2 , 其中 , f i 表示第 j 根波导上第 i 条缝隙的相对场
i =1
强 。根据功率分配系数 Cj , 确定对应的缝隙等效电阻 rj :
N
rj
=
Cj
M
∑ fi2
= i =1
M
N
∑Cj ∑(∑ f i 2)
LI Gao-sheng , L U Z hong-hao , L IU Feng , H E Jian-guo
(Co lle ge o f Electronic Science and Enginee ring , Na tio na l Universi ty of Def ense Technolog y , Changsha 410073, C hina)
Keywords:wav eguide aper ture ante nna ;low side lobe ;r adiation slo t ;compara tor
0 引 言
随着信息化水平的提高和无线电技术的发展 , 对高 效率 、低副瓣天线的需求日渐强烈 , 特别是弹载 、机载搜 索和跟踪天线 , 由于早年常用的抛物面天线固有的口径 遮挡 , 难以在这两方面有大幅度提高 , 不能满足日益增 长的需求 。
= σβ0
λ D
(4)
5
无线通信
李高升等 :一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
阵面直径确定后 , 根据波导尺寸计算阵面波导数 。 阵面圆心为扇面的公共点 , 波导的排列相对阵面中心对 称 。 半个阵面上平行放置的波导数为 :
n
≤
2(a
D +2t)
(5)
式中 :a 为波导宽边内尺寸 ;t 为波导壁厚 。 1 .2 阵面缝隙单元数计算
1 .4 辐射缝隙参数确定
为使每根辐射波导与自由空间良好匹配 , 应使
6
n
∑Gij =C 。其中 , Gij 表示第i 根波导上第 j 条缝隙的电
j =1
导值 。可根据对阵面上各缝隙所要求的场强值求其归
一化电导值 :
n
∑ Gij
=
2
f
2 ij
/j =1
f
2 ij
(9)
式中 :f ij 是由给定的口径场分布曲线求出的第 i 根波
波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性 , 可调 整和优化的参数多 , 较易实现高效率 、超低副瓣和高增 益 , 还具有承受功率高 , 结构紧凑等优点 , 得到了广泛的 研究和应用[ 1-2] 。
波导缝隙平板阵列天线主要由辐射阵面 、馈电波导 及和差器等三部分组成 , 本文对此分别进行了阐述 , 计 算了天线口径相关参数 , 设计了和差器和馈电网络 , 并 对设计结果进行了仿真计算 。
为保证各馈电缝隙落在阵面上各波导中心 , 令馈电 波导的波导波长为阵面上辐射波导宽边外尺寸的 2 倍 , 即 λ′g =2(a +2t)。
为形成单脉冲天线波束 , 采用 4 根独立的馈电波导
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
分别对子阵馈电 。
根据阵面上各波导所需的能量分配关系 , 确定功率
x 的关系 。因此 , 可根据对各缝隙所要求的电导值求出
偏离波导中心线的距离, 从而确定缝隙的横向位置 。
图 1是计算缝隙偏置的流程图 。
图 1 计算所有缝隙偏置的流程图
1 .5 馈电波导设计 馈电波导在辐射波导背面并与之正交 , 采用宽壁中
心倾斜串联缝隙 , 互耦影响小 。相邻馈电缝隙的偏角交 错相反 。 为实现同相馈电 , 缝隙间距取 λ′g / 2 。为保证波 导与缝隙匹配 , 在距最末一条缝隙 λ′g / 2 处短路 。
(1)
β0 =
(arcch η)2 - arcch η 2 2
波束展宽因子不仅与副瓣电平有关 , 而且与等副瓣 电平的副瓣数 n 有关[ 1] :
σ=
μn
A2 +(n -0 .5)2
式中 :A =arcosh η/π;μn 为第一类一阶贝塞尔函数的
第 n 个根 。天线的波束宽度为 :
2θ0 .5
导上第 j 条缝隙所对应的场强值 。对于纵向并联缝隙 ,
等效电导为 :
g(x)=2 .09
a b
λλg co s2
πλ 2λg
sin2
πxwk.baidu.coma
(1 0)
式中 :a , b 为波导宽 、窄边尺寸 ;λ为工作波长 ;x 为缝隙
中心与波导中心线之间的距离 。对于给定的 a 和b , 当工
作波长确定后 , 可计算缝隙的等效电导 g 与横向偏移量
j =1
j =1 i =1
(11)
在波导尺寸和工作波长给定后 , 可计算缝隙电阻对
应的偏角[ 5] 。
1 .6 和差器设计
和差网络可以是波导结构 , 也可以是带线结构 。波
导型和差网络由波导魔 T 组成 , 插损一般小于 1 .0 dB , 隔离优于 30 dB 。 带线和差网络由分支线定向耦合器 、 λ混合环 等构 成 , 插损 一般 为 1 .0 ～ 1 .5 dB , 隔 离约 20 dB 。
辐射缝隙开在波导宽壁上 , 为纵向并联缝隙 。 为保
证谐振条件 , 各缝隙应同相 , 这要求交叉位于波导中心
线两侧的相邻缝隙间距 d =λg/ 2 , λg 为波导波长 。
采用谐振缝隙阵 , 第一条和最末一条缝隙在距中心
为 λg/ 4 处短路 。长度为 l i 的波导 , 缝隙数为 :
ni
≤
2(li
表 1所示 。
表 1 单缝部分计算结果
偏置 /m m 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0
1 天线辐射阵面设计
1 .1 天线口径相关参数计算 首先根据天线的波束宽度和副瓣电平要求计算口
收稿日期 :2010-07-13 基金项目 :武器装备预研基金(9140A 04020310KG 0112 ,
9140A 31020609K G 0170)
径尺寸 D , 然后把 D 代入增益 G 公式 , 看是否满足增益 要求 ;最后根据增益和波束宽度 , 对天线口径进行修正 , 使其同时符合两者要求[ 3-4] 。
1-
n =1(n ≠m)
μm μn
2
; ,1 ≤m ≤n -1
μm 为 J1 (πx)的第 m 个根 ;zn =±σ[ A2 +(n -0.5)2 ] 1/2 。 一旦阵面的口径场分布曲线确定 , 阵面上各缝隙的
电导值也就确定了 。平板缝隙阵主要通过控制阵面上
各缝隙的电导值来实现对阵面场分布特性的控制 。
关键词 :波导缝隙天线 ;低副瓣 ;辐射缝隙 ;和差器 中图分类号 :T N957 .2-34 文献标识码 :A 文章编号 :1004-373X(2010)21-0005-04
Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band
宽臂耦合谐振缝魔 T 在结构 、加工 、调匹配等方面
2 .686 05 3 .033 71 3 .426 62 3 .033 71 2 .631 28 3 .102 77 3 .402 81 3 .102 77 2 .621 76 3 .252 79 3 .295 65 3 .252 79 2 .490 79 3 .495 68 3 .307 56 3 .495 68 2 .652 71 3 .709 99 3 .228 98 3 .709 99 3 .602 83 3 .674 27 3 .609 97 3 .674 27 计算缝隙在不同偏置条件下的谐振长度 , 结果如
强值 , 确定其偏离 波导中心线的位置 。 圆口径泰勒场
分布[ 2] :
∑n-1
f (p)=
m =0
[FJmJ0(0μ(mμπm)p])2 ,
p
= πρ aa
式中 :
(8)
1 , m =0
F(m)=
∏∏ -J (μπ) 0 m
n -1 n =1
1-
μm zn
2
n -1
-2t) λg
1 .3 辐射阵面设计
(7)
子阵面辐射中心选在离阵面中心为(0 .3 ～ 0 .4)R
的范围内 , 接近 45°角斜方向上的那个缝隙位置 。 辐射 中心的缝隙场强是子阵面中最强的 。计算场分布时 , 将
辐射中心位置定为坐标原点 。
子阵的辐射中心定为原点 , 距原点最远的缝的距离
为半径 aa , 根据场强分布曲线 , 求出每条缝隙对应的场
单脉冲天线的口径一般分成四个象限 , 每个象限构 成一个独立的子阵 , 每个子阵是 90°的扇形 , 无法 实现 理想的泰勒分布 , 因此设计时要留出适当的余量 。最大 副瓣电平为 R0 , 天线主瓣峰值电平与最大副瓣电平的 电压比值为 :
η=
-R0
10 10
选择泰勒圆口径分布 , 波束宽度因子为 :
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
李高升 , 卢中昊 , 刘 锋 , 何建国
(国防科学技术大学 电子科学与工程学院 , 湖南 长沙 410073)
摘 要 :给出了波导缝隙天线设计步 骤 , 设计一种 X 波段波导 缝隙天线 , 计 算了天 线口径 、波导 数量 、缝隙的 单元数 量 、 宽度 、位置等参数 , 设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔 T 和差器 , 在此基础 上完成 了天线 设计 。 仿真 结果表 明 , 当 中心频 率为 12 G Hz 时 , 和波束增益为 28 .9 dB, 第 一副瓣电平为 -22 .2 dB, 所设计的天线形式可获得较好的和 、差波束方向图 、电压驻波 比和增益等参数 。
Abstract :T he pro cedures fo r desig ning a w aveg uide ape rture antenna ar e presented .A waveg uide ape rture antenna w o rking in X-band is desig ned .T he ape rture of antenna , number o f wav eg uide, and parameter s of aper ture including number , width and locatio n a re ca lculated.A w ide-a rm co upling reso na nt aper ture magic T comparato r w ith ha lf-heigh t wav eguide is desig ned , based o n w hich the design of the antenna is finished.Simula tion results indicate tha t gain of the sum beam is 28.9 dB and the fir st side lo be is -22 .2 dB at 12 G H z.T he antenna ca n attain go od parame ter s such as sum and subtract pa tte rn , voltage stand wave ratio and gain.
对于圆形阵列天线 , 组成阵面的波 导长度各不相 同 。 进行阵面设计时 , 先对各根波导容许的极限长度做 出计算 , 以考虑每根波导上缝隙的数量 。 从中心算起 , 每根波导的极限长度为 :
li = r2 -[ i(a +2t)] 2
(6)
式中 :li 代表由中心算起第 i 根波导的长度 , i =1 , 2 , …, r 为阵面半径 。
头处不连续性造成的反射波抵消 , 实现匹配 。在弹载 、星
载情况下 , 对体积 、重量要求高 ,一般采用折叠魔 T 。 折叠魔 T 匹配调谐困难 , 且调谐部分结构较复杂 ,
加工要求高 。耦合谐振波导魔 T 利用波导宽臂上开的耦 合谐振缝实现 E 臂功能 , 简化了结构 , 以便有利于加工 。 当 T E10主模从 E 臂输入时 , 耦合缝切割 E 臂波导的内表 面电流 , 形成小的辐射口径面 , 将 E 臂中的能量耦合到下 面的波导中 。由于耦合缝位于 H 臂中轴线 , 不能在 H 臂 中激励起 TE10 模 , 从而实现 E , H 两臂隔离 。
分配系 数 。 对于 第 j 根波 导 , 功 率 分配 系数 为 Cj =
n
∑ f i 2 , 其中 , f i 表示第 j 根波导上第 i 条缝隙的相对场
i =1
强 。根据功率分配系数 Cj , 确定对应的缝隙等效电阻 rj :
N
rj
=
Cj
M
∑ fi2
= i =1
M
N
∑Cj ∑(∑ f i 2)
LI Gao-sheng , L U Z hong-hao , L IU Feng , H E Jian-guo
(Co lle ge o f Electronic Science and Enginee ring , Na tio na l Universi ty of Def ense Technolog y , Changsha 410073, C hina)
Keywords:wav eguide aper ture ante nna ;low side lobe ;r adiation slo t ;compara tor
0 引 言
随着信息化水平的提高和无线电技术的发展 , 对高 效率 、低副瓣天线的需求日渐强烈 , 特别是弹载 、机载搜 索和跟踪天线 , 由于早年常用的抛物面天线固有的口径 遮挡 , 难以在这两方面有大幅度提高 , 不能满足日益增 长的需求 。
= σβ0
λ D
(4)
5
无线通信
李高升等 :一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
阵面直径确定后 , 根据波导尺寸计算阵面波导数 。 阵面圆心为扇面的公共点 , 波导的排列相对阵面中心对 称 。 半个阵面上平行放置的波导数为 :
n
≤
2(a
D +2t)
(5)
式中 :a 为波导宽边内尺寸 ;t 为波导壁厚 。 1 .2 阵面缝隙单元数计算
1 .4 辐射缝隙参数确定
为使每根辐射波导与自由空间良好匹配 , 应使
6
n
∑Gij =C 。其中 , Gij 表示第i 根波导上第 j 条缝隙的电
j =1
导值 。可根据对阵面上各缝隙所要求的场强值求其归
一化电导值 :
n
∑ Gij
=
2
f
2 ij
/j =1
f
2 ij
(9)
式中 :f ij 是由给定的口径场分布曲线求出的第 i 根波
波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性 , 可调 整和优化的参数多 , 较易实现高效率 、超低副瓣和高增 益 , 还具有承受功率高 , 结构紧凑等优点 , 得到了广泛的 研究和应用[ 1-2] 。
波导缝隙平板阵列天线主要由辐射阵面 、馈电波导 及和差器等三部分组成 , 本文对此分别进行了阐述 , 计 算了天线口径相关参数 , 设计了和差器和馈电网络 , 并 对设计结果进行了仿真计算 。
为保证各馈电缝隙落在阵面上各波导中心 , 令馈电 波导的波导波长为阵面上辐射波导宽边外尺寸的 2 倍 , 即 λ′g =2(a +2t)。
为形成单脉冲天线波束 , 采用 4 根独立的馈电波导
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
分别对子阵馈电 。
根据阵面上各波导所需的能量分配关系 , 确定功率
x 的关系 。因此 , 可根据对各缝隙所要求的电导值求出
偏离波导中心线的距离, 从而确定缝隙的横向位置 。
图 1是计算缝隙偏置的流程图 。
图 1 计算所有缝隙偏置的流程图
1 .5 馈电波导设计 馈电波导在辐射波导背面并与之正交 , 采用宽壁中
心倾斜串联缝隙 , 互耦影响小 。相邻馈电缝隙的偏角交 错相反 。 为实现同相馈电 , 缝隙间距取 λ′g / 2 。为保证波 导与缝隙匹配 , 在距最末一条缝隙 λ′g / 2 处短路 。
(1)
β0 =
(arcch η)2 - arcch η 2 2
波束展宽因子不仅与副瓣电平有关 , 而且与等副瓣 电平的副瓣数 n 有关[ 1] :
σ=
μn
A2 +(n -0 .5)2
式中 :A =arcosh η/π;μn 为第一类一阶贝塞尔函数的
第 n 个根 。天线的波束宽度为 :
2θ0 .5
导上第 j 条缝隙所对应的场强值 。对于纵向并联缝隙 ,
等效电导为 :
g(x)=2 .09
a b
λλg co s2
πλ 2λg
sin2
πxwk.baidu.coma
(1 0)
式中 :a , b 为波导宽 、窄边尺寸 ;λ为工作波长 ;x 为缝隙
中心与波导中心线之间的距离 。对于给定的 a 和b , 当工
作波长确定后 , 可计算缝隙的等效电导 g 与横向偏移量
j =1
j =1 i =1
(11)
在波导尺寸和工作波长给定后 , 可计算缝隙电阻对
应的偏角[ 5] 。
1 .6 和差器设计
和差网络可以是波导结构 , 也可以是带线结构 。波
导型和差网络由波导魔 T 组成 , 插损一般小于 1 .0 dB , 隔离优于 30 dB 。 带线和差网络由分支线定向耦合器 、 λ混合环 等构 成 , 插损 一般 为 1 .0 ～ 1 .5 dB , 隔 离约 20 dB 。
辐射缝隙开在波导宽壁上 , 为纵向并联缝隙 。 为保
证谐振条件 , 各缝隙应同相 , 这要求交叉位于波导中心
线两侧的相邻缝隙间距 d =λg/ 2 , λg 为波导波长 。
采用谐振缝隙阵 , 第一条和最末一条缝隙在距中心
为 λg/ 4 处短路 。长度为 l i 的波导 , 缝隙数为 :
ni
≤
2(li
表 1所示 。
表 1 单缝部分计算结果
偏置 /m m 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0
1 天线辐射阵面设计
1 .1 天线口径相关参数计算 首先根据天线的波束宽度和副瓣电平要求计算口
收稿日期 :2010-07-13 基金项目 :武器装备预研基金(9140A 04020310KG 0112 ,
9140A 31020609K G 0170)
径尺寸 D , 然后把 D 代入增益 G 公式 , 看是否满足增益 要求 ;最后根据增益和波束宽度 , 对天线口径进行修正 , 使其同时符合两者要求[ 3-4] 。
1-
n =1(n ≠m)
μm μn
2
; ,1 ≤m ≤n -1
μm 为 J1 (πx)的第 m 个根 ;zn =±σ[ A2 +(n -0.5)2 ] 1/2 。 一旦阵面的口径场分布曲线确定 , 阵面上各缝隙的
电导值也就确定了 。平板缝隙阵主要通过控制阵面上
各缝隙的电导值来实现对阵面场分布特性的控制 。
关键词 :波导缝隙天线 ;低副瓣 ;辐射缝隙 ;和差器 中图分类号 :T N957 .2-34 文献标识码 :A 文章编号 :1004-373X(2010)21-0005-04
Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band
宽臂耦合谐振缝魔 T 在结构 、加工 、调匹配等方面
2 .686 05 3 .033 71 3 .426 62 3 .033 71 2 .631 28 3 .102 77 3 .402 81 3 .102 77 2 .621 76 3 .252 79 3 .295 65 3 .252 79 2 .490 79 3 .495 68 3 .307 56 3 .495 68 2 .652 71 3 .709 99 3 .228 98 3 .709 99 3 .602 83 3 .674 27 3 .609 97 3 .674 27 计算缝隙在不同偏置条件下的谐振长度 , 结果如
强值 , 确定其偏离 波导中心线的位置 。 圆口径泰勒场
分布[ 2] :
∑n-1
f (p)=
m =0
[FJmJ0(0μ(mμπm)p])2 ,
p
= πρ aa
式中 :
(8)
1 , m =0
F(m)=
∏∏ -J (μπ) 0 m
n -1 n =1
1-
μm zn
2
n -1
-2t) λg
1 .3 辐射阵面设计
(7)
子阵面辐射中心选在离阵面中心为(0 .3 ～ 0 .4)R
的范围内 , 接近 45°角斜方向上的那个缝隙位置 。 辐射 中心的缝隙场强是子阵面中最强的 。计算场分布时 , 将
辐射中心位置定为坐标原点 。
子阵的辐射中心定为原点 , 距原点最远的缝的距离
为半径 aa , 根据场强分布曲线 , 求出每条缝隙对应的场
单脉冲天线的口径一般分成四个象限 , 每个象限构 成一个独立的子阵 , 每个子阵是 90°的扇形 , 无法 实现 理想的泰勒分布 , 因此设计时要留出适当的余量 。最大 副瓣电平为 R0 , 天线主瓣峰值电平与最大副瓣电平的 电压比值为 :
η=
-R0
10 10
选择泰勒圆口径分布 , 波束宽度因子为 :
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
李高升 , 卢中昊 , 刘 锋 , 何建国
(国防科学技术大学 电子科学与工程学院 , 湖南 长沙 410073)
摘 要 :给出了波导缝隙天线设计步 骤 , 设计一种 X 波段波导 缝隙天线 , 计 算了天 线口径 、波导 数量 、缝隙的 单元数 量 、 宽度 、位置等参数 , 设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔 T 和差器 , 在此基础 上完成 了天线 设计 。 仿真 结果表 明 , 当 中心频 率为 12 G Hz 时 , 和波束增益为 28 .9 dB, 第 一副瓣电平为 -22 .2 dB, 所设计的天线形式可获得较好的和 、差波束方向图 、电压驻波 比和增益等参数 。
Abstract :T he pro cedures fo r desig ning a w aveg uide ape rture antenna ar e presented .A waveg uide ape rture antenna w o rking in X-band is desig ned .T he ape rture of antenna , number o f wav eg uide, and parameter s of aper ture including number , width and locatio n a re ca lculated.A w ide-a rm co upling reso na nt aper ture magic T comparato r w ith ha lf-heigh t wav eguide is desig ned , based o n w hich the design of the antenna is finished.Simula tion results indicate tha t gain of the sum beam is 28.9 dB and the fir st side lo be is -22 .2 dB at 12 G H z.T he antenna ca n attain go od parame ter s such as sum and subtract pa tte rn , voltage stand wave ratio and gain.
对于圆形阵列天线 , 组成阵面的波 导长度各不相 同 。 进行阵面设计时 , 先对各根波导容许的极限长度做 出计算 , 以考虑每根波导上缝隙的数量 。 从中心算起 , 每根波导的极限长度为 :
li = r2 -[ i(a +2t)] 2
(6)
式中 :li 代表由中心算起第 i 根波导的长度 , i =1 , 2 , …, r 为阵面半径 。