波导缝隙阵天线
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波导缝隙阵
1、 设计背景 缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、 天线口径效率高、 性能稳定结构简单紧凑、 强度高、 安装方便等特点， 而且容易实现窄波束、 低副瓣乃至超低副瓣。 最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高，脉冲多普勒雷达的发展，矩形波导缝隙 阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。 特别是它具 有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，在机载雷达上为优选形式。 波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在 波导窄边的倾斜缝隙， 开在波导宽边的纵向缝隙、 横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾 斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以使非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因 而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生 各种实用的天线方向图。 2、 设计原理 这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距 0 . 5 g ，距离波导宽边中心有一定偏 移。宽边上纵向并联缝隙的电导为
2 x g g1 s i n a
（1）
2 g
2 . 09 a g g1 b
cos
2
（2）
式中，x 为待求的偏移；a 为波导内壁宽边长度； g 为波导波长。在具体的设计中可以利用 HFSS 的优化功能确定缝隙的谐振长度 （图 1） 。 首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量， 主要有：缝隙偏移波导中心线的距离 Offset，缝隙长度 L，缝隙的宽度 W 等。一般可根据实 际的加工确定出 W 缝隙的宽度，应用 HFSS 的优化功能得出 Offset 和 Length。在波端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的二分之一个波导波长的缝隙中心的 Y 矩阵参数，根据 波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此当缝隙谐振时有 Im（Y）=0。
gn
n
16 17 18 19
gn
0.0106 0.0082 0.0154 0.0256 0.0386
0.0537 0.0693 0.0836 0.0945
0.1004 0.0945 0.0836 0.0693
0.0386 0.0256 0.0154 0.0082
0.1004 15 0.0537 20 0.0106 表 2、各个缝隙的导纳值 选用 WR-9 型波导， 其波导尺寸为： 宽边 a=22.86mm， 窄边 b=10.16mm。 工作频率为 10GHz， 工作波长 30 mm ，波导波长为 g 39 . 755 mm 。根据波导各个尺寸可得偏移量与导纳 之间的工作关系为
1 4
g
1 2
g
短 路
Offset L 图 1、单缝谐振长度优化示意图
波 端 口
设计一个由 20 个缝隙组成的缝隙阵，采用 Chebshev 电流分布, 要求 30 的旁瓣电平，利 用 MA TLAB 算出 20 个缝隙的电平分布：
w chebwin
20 ,30
n
11 12 13 14
由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量
x a arcsin 1 . 066
gn
n
16 17 18 19
（6）
n
1 2 3 4
xn
n
6 7 8 9
xn
n
11 12 13 14
xn
xn
0.8020 0.7031 0.9640 1.2464
1.8168 2.0705 2.2799 2.4294
2.5074 2.4294 2.2799 2.0705
（3）
n
1 2 3 4 5an源自n6 7 8 9 10
an
an
n
16 17 18 19 20
an
0.3256 0.2856 0.3910 0.5046 0.6203
0.7315 0.8310 0.9124 0.9701
1.0000 0.9701 0.9124 0.8310
0.6203 0.5046 0.3910 0.2856 0.3256
图 2：天线参数模型
图 3： 缝隙阵的 3D 增益方向图
图 4：缝隙阵的 2D 远场方向图
图 5：缝隙阵 H 面增益直角图
图 6：S11 参数图
图 7：VSWR 参数图 从上面的方向图可以看出该缝隙的主瓣的增益达到 19.05dB，且呈现笔形波束。而 第一副瓣约为-9.5dB，与主瓣相差 28.55dB 左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要 求。 大家看看我的 S11 参数图和 VSWR 参数图，不知道这样符合要求不？S11 有多个谐振 点，而且最低谐振点跟求解频率有 0.11Ghz 的偏差，驻波比也不是很理想，我优化了很多参 数，但是效果都不是很理想，希望有人能出来指点一下。
1.5362 1.2464 0.9640 0.7031
5
1.5362
10
2.5074
15
1.8168
20
0.8020
3、 HFSS 软件的仿真实现 本例利用 HFSS 软件设计波导缝隙阵天线。天线的中心频率 10GHz。选用 WR-90 型波 导，其具体指标为：宽边 22.86mm，窄边 10.16mm，波导波长 39.755mm。
1.0000 15 0.7315 表 1、 各个缝隙的电平分布
根据电平分布进行归一化
K an 1
2 n 1 20
（4）
可以得出 K=0.1004。由下式可以得到各个缝隙的导纳值：
g n Ka n
2
（5）
各个缝隙的导纳值如表 2：
n
1 2 3 4 5
gn
n
6 7 8 9 10
gn
n
11 12 13 14
1、 设计背景 缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、 天线口径效率高、 性能稳定结构简单紧凑、 强度高、 安装方便等特点， 而且容易实现窄波束、 低副瓣乃至超低副瓣。 最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高，脉冲多普勒雷达的发展，矩形波导缝隙 阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。 特别是它具 有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，在机载雷达上为优选形式。 波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在 波导窄边的倾斜缝隙， 开在波导宽边的纵向缝隙、 横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾 斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以使非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因 而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生 各种实用的天线方向图。 2、 设计原理 这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距 0 . 5 g ，距离波导宽边中心有一定偏 移。宽边上纵向并联缝隙的电导为
2 x g g1 s i n a
（1）
2 g
2 . 09 a g g1 b
cos
2
（2）
式中，x 为待求的偏移；a 为波导内壁宽边长度； g 为波导波长。在具体的设计中可以利用 HFSS 的优化功能确定缝隙的谐振长度 （图 1） 。 首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量， 主要有：缝隙偏移波导中心线的距离 Offset，缝隙长度 L，缝隙的宽度 W 等。一般可根据实 际的加工确定出 W 缝隙的宽度，应用 HFSS 的优化功能得出 Offset 和 Length。在波端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的二分之一个波导波长的缝隙中心的 Y 矩阵参数，根据 波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。因此当缝隙谐振时有 Im（Y）=0。
gn
n
16 17 18 19
gn
0.0106 0.0082 0.0154 0.0256 0.0386
0.0537 0.0693 0.0836 0.0945
0.1004 0.0945 0.0836 0.0693
0.0386 0.0256 0.0154 0.0082
0.1004 15 0.0537 20 0.0106 表 2、各个缝隙的导纳值 选用 WR-9 型波导， 其波导尺寸为： 宽边 a=22.86mm， 窄边 b=10.16mm。 工作频率为 10GHz， 工作波长 30 mm ，波导波长为 g 39 . 755 mm 。根据波导各个尺寸可得偏移量与导纳 之间的工作关系为
1 4
g
1 2
g
短 路
Offset L 图 1、单缝谐振长度优化示意图
波 端 口
设计一个由 20 个缝隙组成的缝隙阵，采用 Chebshev 电流分布, 要求 30 的旁瓣电平，利 用 MA TLAB 算出 20 个缝隙的电平分布：
w chebwin
20 ,30
n
11 12 13 14
由上述导纳值可以求得各个缝隙的偏移量
x a arcsin 1 . 066
gn
n
16 17 18 19
（6）
n
1 2 3 4
xn
n
6 7 8 9
xn
n
11 12 13 14
xn
xn
0.8020 0.7031 0.9640 1.2464
1.8168 2.0705 2.2799 2.4294
2.5074 2.4294 2.2799 2.0705
（3）
n
1 2 3 4 5an源自n6 7 8 9 10
an
an
n
16 17 18 19 20
an
0.3256 0.2856 0.3910 0.5046 0.6203
0.7315 0.8310 0.9124 0.9701
1.0000 0.9701 0.9124 0.8310
0.6203 0.5046 0.3910 0.2856 0.3256
图 2：天线参数模型
图 3： 缝隙阵的 3D 增益方向图
图 4：缝隙阵的 2D 远场方向图
图 5：缝隙阵 H 面增益直角图
图 6：S11 参数图
图 7：VSWR 参数图 从上面的方向图可以看出该缝隙的主瓣的增益达到 19.05dB，且呈现笔形波束。而 第一副瓣约为-9.5dB，与主瓣相差 28.55dB 左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要 求。 大家看看我的 S11 参数图和 VSWR 参数图，不知道这样符合要求不？S11 有多个谐振 点，而且最低谐振点跟求解频率有 0.11Ghz 的偏差，驻波比也不是很理想，我优化了很多参 数，但是效果都不是很理想，希望有人能出来指点一下。
1.5362 1.2464 0.9640 0.7031
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1.5362
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2.5074
15
1.8168
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0.8020
3、 HFSS 软件的仿真实现 本例利用 HFSS 软件设计波导缝隙阵天线。天线的中心频率 10GHz。选用 WR-90 型波 导，其具体指标为：宽边 22.86mm，窄边 10.16mm，波导波长 39.755mm。
1.0000 15 0.7315 表 1、 各个缝隙的电平分布
根据电平分布进行归一化
K an 1
2 n 1 20
（4）
可以得出 K=0.1004。由下式可以得到各个缝隙的导纳值：
g n Ka n
2
（5）
各个缝隙的导纳值如表 2：
n
1 2 3 4 5
gn
n
6 7 8 9 10
gn
n
11 12 13 14