【总结】波导缝隙阵带宽总结

波导缝隙阵带宽总结
一，改善波导缝隙天线带宽的方法：
波导裂缝阵列天线具有较高的功率容量、较低的交叉极化、较低的馈电损耗以及较高的效率等优点而被广泛应用于雷达和通信领域。

波导缝隙天线虽然有很多优点，但是其也有固有的缺点，即工作频带很窄，相对带宽一般在1%-4%之间。

但是随着需求的发展，目前一些应用对波导缝隙天线的带宽也提出了要求，例如高分辨率合成孔径雷达，同时在这些应用中对交叉极化抑制的要求也很高，因此对宽带和低交叉极化的波导缝隙阵的研究是具有非常现实的意义的。

波导缝隙天线阵包括两种，行波阵和谐振阵。

前者波导辐射缝隙间距偏离半个波导波长，一端激励一端接匹配负载，电磁波在波导内成行波状态，通常应用与大型天线阵中。

后者单元间距为半个波导波长，一端激励一端在离最后一个辐射缝隙四分之一波导波长处短路，波导内电磁波呈驻波状态，这种阵一般应用于小型阵列。

前者频带宽些，但在大型阵中由于波导传输损耗及终端负载的吸收，效率较低。

后者一般效率高些，但是带宽窄些。

总之，工作频带都较窄。

早期人们采用串-并联缝隙，倾斜偏置缝或分别匹配每个缝隙的方法来展宽带宽，但是采用串-并联缝隙或倾斜偏置缝将带来另一计划分量增加的问题，而匹配每个缝隙对于天线阵设计来说是比较困难的事情。

目前，常用的改善波导缝隙天线带宽的方法有三种：１将天线分成若干个子阵；２采用中间馈电的馈电方式；3用脊波导代替矩形波导。

二，具体实例
（1）
对于波导窄边开斜缝天线阵，由于缝隙倾斜引起较高的交叉极化电平。

窄边非倾斜缝辐射单元形式。

由于辐射电磁波的电场分量垂直于辐射细缝，而此种
辐射缝隙完全垂直于波导的轴线，排除了单元在垂直于波导纵向的电场分量，因此辐射电磁波只包含波导轴向分量，从而得到优越的交叉极化特性。

所以用非倾斜缝隙作为辐射单元组成的天线将得到非常高的交叉极化抑制性能。

本文提出一种非倾斜缝的新型激励方式，将一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边，膜片紧贴于波导的宽边和上部窄边上，这种结构有利于天线阵的制作和增加可靠性。

设计加工了一个x波段的16元侧射均匀直线阵，为了有效展宽工作带宽，将天线阵划分成4个谐振子阵，并由一个波导功分器馈电。

测试结果验证了设计的可行性。

图1 波导窄边非倾斜缝结构
波导窄边的电流只有y分量，当在窄边沿y向开非倾斜细缝时，其切割的电流几乎忽略不计，在缝隙内不能激励起电磁场，因此对空间不能产生辐射。

为了改变这一状况，此处采用一对切角矩形金属膜片置于缝隙两边(如图l所示)，改变缝隙附近波导内的场分布，从而使波导窄壁上电流具有z分量，这样非倾斜缝就可以有效切割电流，在缝隙内激励起电磁场，进而向空间产生辐射。

由于波导窄边尺寸较小，为了得到谐振长度，缝隙需要扩展到波导的宽边，切割到宽边的深度为h。

为了改善因单元数较多限制天线阵工作带宽的因素，将天线阵分成4个子阵，并由一个波导功分器馈电。

功分器如图2所示
图2 波导功分器示意图
应用传统方法设计计算波导尺寸。

为了验证设计思想，我们根据上述过程，设计加工了一例工作于x波段的16元波导侧射均匀直线阵，辐射单元等幅等间距分布。

16个单元分成四个谐振子阵，并由波导功分器馈电。

实物图如下图3：
图3 两种天线比较
实验测得天线具有7.2％的阻抗带宽，交叉极化优于-39dB，与常规倾斜缝隙天线阵相比，其交叉极化性能得到了极大提高。

参考文献【1】汪伟，金剑，钟顺时，宽频带膜片激励波导窄边非倾斜缝隙阵天线，微波学报，20**，10，30-33
（2）
辐射缝隙导纳及波导导内波长的频率特性，是影响裂缝天线带宽的主要因素。

本文以改善这两个参数的频率特性为出发点，提出了一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法，即用脊波导代替矩形波导作为辐射波导。

辐射缝中心间距为/2
，为中心频率对应的导内波长）当其次是驻波波
g
峰偏离缝的中心位置。

工作频率改变时，产生两种效应，即辐射缝导纳参数发生变化；两种效应使辐射缝的幅度和相位与理论值产生差异，从而使辐射波导输入驻波比变坏。

本文以改善辐射缝隙导纳及辐射波导导内波长的频率特性为
出发点，用脊波导代替矩形波导来展宽裂缝天线的带宽。

矩形波导宽边纵向缝阵的带宽相比，脊波导裂缝阵列的带宽有较大的改善。

裂缝阵列的带宽与辐射缝隙导纳及辐射波导导内波长的频率特性有关，导纳和导内波长随工作频率的变化越慢，缝阵列的带宽就会越宽。

脊波导和矩形波导辐射缝的导纳特性如图4所示，从图可以看出，脊波导辐射缝的导纳随缝长（即频率）的变化较慢。

图4脊波导和矩形波导辐射缝的导纳特性
下图5为脊波导和矩形波导的导内波长与频率的关系，从图中可以看出脊波导内波长随频率的变化较慢。

图5脊波导和矩形波导的导内波长与频率的关系
通过上面的分析可以看出，脊波导的应用可以改善辐射缝隙导纳和辐射波导导内波长的频率特性。

所以，能够用脊波导作为辐射波导来改善裂缝天线的带宽。

根据理论分析设计了终端短路的脊波导和矩形波导宽边纵向四元谐振阵，如图6所示：
图6脊波导与矩形波导缝隙阵
使用HFSS分析了两者的频率特性和辐射特性，经过比较脊波导缝隙阵的带宽有较大的改善。

证明了本文中的方法的正确性。

参考文献【2】张亚飞，吕晓德，一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法，中国科学院学报，20**，1，60-63
（3）
本文介绍了一种由四路功分器馈电的脊波导缝隙直线阵。

天线阵被分成两部分来展宽带宽。

馈电时用到了一个特殊的凸面脊波导来满足宽边和长边的紧凑性。

并设计了一个X波段的16单元天线阵，得到的仿真和实验结果吻合。

说明这种结构可以用于要求宽带特性和紧凑尺寸的传输和雷达系统中。

本文运用HFSS 来分析缝隙和缝隙阵列的辐射特性。

步骤：1，图7为所设计的脊波导缝隙天线。

图7 脊波导缝隙天线
图8为等效电路
图8 N 个缝隙的等效电路
通过以下推导公式，可以计算出需要的尺寸。

2()112()111()()()1()r r j f L s j f L S f e y f jctg f L S f e
βββ-=++（1） 1()s yin jtg l y β=-+（2）
1()211()
yin jtg d yin y jyin tg d ββ+=++（3） (1)()1(1)()yin N jtg d yinN y jyin N tg d ββ-+=
++- (4) ()1()
r r yinN jtg L yin jyinNtg L ββ+=+（5）
1111
11S yin S -=+ (6) 111111111()1()()11()1r r S yinN jtg L S f y yin y S jyinNtg L S ββ-+-=-
=-+++ （7）
首先仿真了一个4单元的谐振缝隙天线，通过改变缝隙离轴线的距离可以得到输入端的最小反射和展宽工作带宽。

结果得到在1115S dB ≤-时，带宽为9.5%。

2，为了给8单元阵子馈电，设计了一个四路功分器，它有两个耦合器和一个两路分支组成。

如图9.
图9 四路功分器
其中耦合器如图10所示，这里用凸面波导将使主模产生衰减，所以用了另一个脊波导加在上面波导的下侧中心处。

并通过公共壁的辐射缝隙来耦合。

图10 耦合器模型
通过调节尺寸，得到当反射损耗小于-15dB时，它的频率带宽为11%。

两路分支器在同轴线和凸面波导间，是一个T形连接。

如图11。

馈电波导由凸面探针激励
图11 同轴线和凸面波导间的T形连接
通过仿真，整个四路功分器在
1115
S dB
≤-时，输入端的阻抗带宽达到了12%。

这种凸面波导功分器很好的利用了下面的脊波导的空间，使天线结构更加紧凑而且展宽了带宽。

1，通过以上分析，设计了一个X波段的16单元的缝隙阵，如图12，显示了它的增益在18dB左右时，频率范围达到了1GHz.这种阵列还很好的避免了交叉极
化。

图12 测量的天线增益
参考文献【3】Wei Wang, Shun-Shi Zhong,，“A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array”，IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 54, NO. 8, AUGUST 20**，2416-2420
（4）
本文是基于对合成孔径雷达的研究下，设计了一种新型用于波导缝隙阵的展宽带宽的方法。

通常展宽带宽的方法有：1，将阵列分成许多子阵，每个子阵由功分器馈电。

但是这种方法导致损耗较大。

2，采用脊波导代替矩形波导来实现展宽带宽。

然而这种天线在实际中很难加工，且成本较高。

考虑到以上因素，本文用传统波导矩形波导来实现宽带任务，通过增大缝隙的宽度，并应用一个渐进阻抗变换器，这时天线的性能将会有所提高。

同时，本文还介绍了去耦合的一种有效方法：将类腔体壁插入到各个相邻单元间。

具体步骤如下：
1，设计了一个开4个缝的阵子单元，中心由探针馈电，再由已知的计算公式计算出了各个需要的天线尺寸。

由图13可看出，当缝隙宽度W增加时，阻抗特性就会变好，驻波比带宽增大。

可以得出结论，缝隙越宽，带宽越宽。

图13 驻波比随缝隙宽度的变化
2，为了更好的分析天线，设计了一个馈电模型来满足要求。

如图14通过一个阻抗变换器连接到探针上。

实物如图15
图14 馈电结构
图15 实物图
3，用HFSS软件仿真了一个8缝单元阵子，如图16可以看出当驻波比
优选参考资料
VSW R 时，带宽达到了13%。

又通过在相邻单元间插入金属壁有效的阻止
1.5
了表面波，同时减少了各个阵子单元的互耦影响。

如图17通过测试知：当金属壁的高和宽变化时会影响天线性能，所以要适当调节它使之满足需要。

图16 驻波比变化曲线
图17 金属腔体
参考文献【4】Yu Xiaole, Ni Daning, “Design of a wideband wavegui de slot array antenna and itsdecoupling method for Synthetic Aperture Radar ”，Proceedings of the 38th European Microwave Conference，20**，135-138。