波导缝隙天线的设计和仿真

波导缝隙天线的设计和仿真

波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。它广泛用于各种领域：

1、地面、舰载、机载雷达

2、导航雷达

3、气象雷达

4、雷达信标天线LL

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特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。

波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。

波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。

主要讨论的内容：

1.波导缝隙天线的设计基础理论

2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真

3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真

4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论

本章中您主要的目标是：

1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。

2.了解波导缝隙的基本等效电路。

3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。

4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。

把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。

若缝隙的几何尺寸、其在波导上的位置以及在波导中传送能量确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。根据波导缝隙的等效电路形式，将波导缝隙可分为并联缝隙和串联缝隙。

波导缝隙的等效阻抗（导纳）

自1940年以来，许多学者对缝隙天线理论和试验进行了大量的工作。在波导缝隙的等效阻抗（导纳）理论分析工作上首推斯蒂文生（A.F.Stevenson）所取得的出色成果。随后奥里纳、易宏跃、宋夫哈克和卡尔松等人将其进一步推广。

二）波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真

本章中您主要的目标是：

熟悉波导缝隙行波线阵天线的基本属性。了解波导缝隙行波线阵天线的构成。知道波导缝隙行波线阵天线的基本设计过程。

实际工程中可知当缝隙阵天线的工作频率确定以后，根据实际波导的工作的频段，可以比较容易确定波导的尺寸。得到波导的宽边长度a，窄边长度b。将波导宽边长度a，带入上面公式，天线的主波束指向角度已知，就可求出缝隙间距d。

根据波导缝隙阵列的设计理论，缝隙的偏移量对缝隙的谐振长度存在较大的影响，目前在理论上还没有十分明确的理论公式对这一影响进行分析，通常是采用实际工程中的经验值作为缝隙的谐振长度。在根据实际加工测量的结果进行部分的修正，最终得出缝隙的谐振长度，但是传统的设计方法，需要比较长的设计、加工和测试周期，不但使成本较高，而且非常费时、费力。

参数设置：

◎ length:此模型主要优化的变量。

◎ Offset:它主要调节并联缝隙的等效电导值，我们将其设置为辅助变化量。设计要点：

◎当缝隙谐振时，有Im(Y)=0。

◎应用ABS（Im(Y) ）作为代价函数。

◎将偏移距离Offset从1mm以每步1mm的变化量调整到8mm，然后在每一变化点处优化谐振长度。

◎从而得到波导缝隙谐振长度与偏移距离之间的关系，产生设计曲线

从上图可以看出，天线的指向在－29度左右，我们设计为－30度，最大增益为19.35dB因为是均匀分布副瓣电平最大值为6.85dB，相差12.5dB与理论的－13dB，基本一致，可以说明HFSS V9.0在缝隙阵天线的设计上是十分有效的，可以作为我们广大微波天线工程师们的得力助手。

（三）波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真

本章中您主要的目标是：熟悉波导缝隙驻波线、面阵天线的基本属性。知道波导缝隙驻波线、面阵天线的基本设计。

前面已经讲过驻波阵的定义了，这里就不在介绍了。线性和平面谐振式（驻波阵）缝隙波导阵的设计已广泛的应用于实际工作中。所有的谐振式缝隙波导阵的公共基本特点总结如下：在天线阵中，所有的缝隙都是谐振的，也就是在中心频率上，缝隙等效电路的导纳或电抗都为零。

＃波导驻波电压最大值出现在并联缝隙上，最小值出现在串联缝隙上。

#在同一波导上，毗邻的缝隙都相距半个波导波长。

#主波束垂直于天线阵的口面（宽边）

为使相距半个波导波长的两个缝隙辐射同相位。毗邻的纵向缝隙都放在波导的中心线的两边。由于平面阵列可以看成是线阵的组合，因此平面阵的设计很类似线性阵的设计。这两种天线的互耦情况是不同的，因此分别加以讨论。

1、线性天线阵设计与仿真

~~谐振式线阵为了保证输入端在中心频率上完全匹配，要求如下：

~~对一端馈电的缝隙波导，所有归算的缝隙谐振的电导的总和等于1；对中心馈电的等于2。~~对给定的缝隙位置上，要求缝隙谐振电导正比于辐射功率。

设计一个中心频率为10GHz 的波导缝隙线阵天线。

设计要求：

副瓣电平低于-20db，

增益大于等于18db，

驻波比小于1.5

带宽为100MHz。

根据设计要求，阵列形式选择为矩形波导宽边纵向驻波阵列，采用一根辐射波导，在其宽边开16 个缝隙，波导一端加短路板，另一端为馈电端口。对阵列进行泰勒分布加权，得到电流分布，从而得到各缝隙阵元等效电导值，算出对应的偏移量，进而得到各阵元的谐振长度。

根据前面所述的理论计算出各个缝隙的等效电导值，应用公式斯蒂文生推倒的波导纵缝的导纳等效公式计算出各个缝隙的偏移量,在不同偏置位置对缝隙谐振长度进行优化。经过优化我们可以的得到，如下数据：