梯形波导缝隙天线的研究
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Gain/dB
Theta/degree
(b)
图6
十单元波导缝隙天线 H 面方向图（f=13GHz）
（a: TWSA; b: STWSA）
0 330 20 15 300 10 5 270 0 5 240 10 15 210 20 180 150 120 90 60 30
Journal of Applied Physics.1948,
8
10
当辐射缝隙数量增加至八缝和十缝时，TWSA 具有更宽的工作带宽。特别是缝隙数目均为十缝 时，STWSA在工作频率范围内的VSWR均大于2， 性能非常差，而此时 TWSA 在工作频率范围内的 VSWR基本上都小于2。 可见， 随着缝隙数量的增加， TWSA具有更宽的工作带宽。 3.2 H面方向图 图 6 所 示 为 辐 射 缝 隙 均 为 十 缝 的 TWSA 和 STWSA在频率f=13GHz时的H面方向图。TWSA仿 真结果的第一旁瓣电平为-13.62dB， STWSA计算结 果的第一旁瓣电平为-13.17dB，相差不大，但很明 显 前 者 具 有更 低 的 副 瓣， 大 部 分 副瓣 都 集 中 在 -20~-40dB之间，说明TWSA具有更好的副瓣性能。 3.3 E面方向图 图7所示为辐射缝隙为十缝的TWSA，E面方向 图的仿真结果。可知，天线增益为18.28dB，前后比 达到10dB以上， 能量集中于前瓣。而文献[9]中具有
0.53 0.52 0.51 0.5 0.49 0.48 0 1 2 3 4 5 6 7 x /mm
Lr /λ
图4
不同缝隙偏置时的谐振缝隙长度
a
45°
3 数值结果分析
3.1 工作带宽的比较 图5(a)、(b)、(c)所示分别为具有六、八、十个 缝隙的TWSA在频率12.7~13.3GHz范围内，电压驻 波比（VSWR）随频率变化的仿真结果，作为比较， 图中还分别给出了文献 [7] 中设计的相同缝隙数目 （用N表示）的STWSA在该频率范围内VSWR随频 率变化的计算结果。将两种情况下，VSWR<2（六 缝隙时为VSWR<1.5）时所对应的工作带宽对比如 表1所示。由图5和表1可知，在相同频率范围内， 辐射缝隙数均为六缝时， 虽然STWSA比TWSA的带 宽稍微宽一些，但后者在中心频率附近的VSWR更 加接近1，驻波性能更好。
12.9 13 13.1 Frequency/GHz
13.2
13.3
13
13.1
13.2
13.3
Frequency/GHz
(a)
2.4 2.2
VSWR
(c)
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8
TWSA STWSA
图5
不同缝隙单元两种天线的驻波特性来自百度文库
（a: N=6; b: N=8; c: N=10）
617
基金项目：天津市自然科学基金（07JCYBJC16800） ；教育 部科学技术研究重点项目（207007）
L
Feeding
x
/4 λg
d
Short
图 1 TWSA 驻波阵结构示意图
设计天线频带为： 12.8~13.2GHz ，中心频率 13.0GHz ，为了满足工作频率的要求，梯形波导 截面尺寸如图 2所示， 半圆头矩形缝隙位于厚度为 1.0mm的波导宽边上。在以往的设计中，为了得 到缝隙的谐振长度， 通常采用加工试验件的方法， 通过对试验件的测试得到 Y参数， 根据 Y参数来调 整缝隙长度达到谐振。这种方法的缺点是加工周 期长，要设计低副瓣天线时，需要精度很高的试 验件。 为了解决这个问题，本文采用电磁仿真的方 法，求解谐振长度的模型如图3所示，检测端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口二分之一个波 导波长的缝隙中心的Y矩阵参数，谐振时，缝隙的 等效阻抗或导纳为实数，因此Im(Y(11))＝0。根据 该原理对谐振模型进行仿真计算， 可迅速得到谐振 长度。
梯形波导缝隙天线的研究
成丹 郑宏兴 孙程光 冯立营 马兴兵 （天津工程师范学院天线与微波技术研究所，天津 300222） chengdan_tute@126.com
摘 要：设计了一种梯形波导缝隙天线，研究了缝隙位置偏移量与缝隙谐振长度和工作波长比值之间的关系，得到了三种 不同缝隙数目驻波天线的电压驻波比（VSWR）随频率变化的仿真结果，分别与相同工作频率范围，相同辐射单元数的梯形 单脊波导缝隙天线进行比较。结果表明，随着缝隙数量的增加，梯形波导缝隙天线具有更宽的工作带宽和更好的波瓣性能。 关键词：梯形波导，缝隙天线，电磁仿真
图2
b
图3 618
梯形波导横截面（a=17.31mm, b=a/2）
求解谐振长度模型
2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8
VSWR
VSWR
TWSA STWSA
2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8 12.9
TWSA STWSA
波导的通频带宽度，然而，当天线的工作带宽远远 小于波导本身的通频带宽时，加脊的方法没有明显 的优势，反而增加了加工工艺的复杂性，本文提出 一种梯形波导缝隙天线（TWSA），可以改善天线 的工作带宽，又能使加工变得简单。
2 结构设计
从馈电方式上，一般把缝隙天线阵分为驻波阵 和行波阵两种，本文的设计为驻波阵，结构如图1 所示，在对称梯形波导的两个平行面中较宽的壁 （称为梯形波导的宽边）上开缝，缝隙为半圆头矩 形缝隙，x为缝隙中心线偏移波导宽边中心线的距 离，称为缝隙偏移量，缝长L约为λ/2。波导一端短 路，另一端馈电，缝隙的间距d=λg/2（λg为波导波 长），交替位于波导宽边中心线的两侧，使它们有 着相同的馈电相位，终端短路器距最近缝隙的距离 为λg/4。
Research on Trapezoidal Waveguide Slot Antenna
CHENG Dan, ZHENG Hong-xing, SUN Cheng-guang, FENG Li-ying, MA Xing-bing （Institute of Antenna and Microwave Techniques, Tianjin University of Technology and EducationTianjin 300222, China）
十六个单元缝隙的矩形波导缝隙天线的增益才为 18.2dB，可见本设计给出的TWSA具有较高的增益 和较好的前后比。
4 结论
本文研究了一种梯形波导缝隙天线（TWSA） ， 其仿真结果与文献[7]中具有相同工作频率范围， 相 同辐射单元数的梯形单
0 -10 -20
dB
-30 -40 -50
0
30
60
90
dB
参考文献
[1] Watson W H. The Physical Principles of Waveguide Transmission and Antenna Systems [M]. 1949, part7 and part 8, Clarendon Press, Oxford: 122-154. [2] Stevenson A F. Theory of Slots in Rectangular Waveguide [J]. 19(1):24-38.
1 引言
波导缝隙天线由于其低损耗、高效率、口径分 布容易控制，便于实现低副瓣等原因，已广泛应用 于雷达和通信系统。Watson[1]首先开展了对波导裂 缝的研究工作。Stevenson[2]利用波导的等效传输线 理论及波导格林函数，取缝隙长度为λ/2（λ为工作 波长） ，导出了各种形式缝隙的归一化电阻（电导） 的计算公式。用作辐射单元的波导缝隙有多种形 式，其中应用最多的是矩形波导宽边纵向缝隙和窄 边开倾斜缝两种。但是，随着缝隙数量的增多，矩 形波导宽边缝隙天线的带宽变窄，许多研究者通过 给波导加脊来改善这种情况，David Y．Kim[3]把矩 形波导缝隙天线阵的设计理论推广到对称单脊波 导宽边纵向裂缝天线的设计上。此后，有很多关于 各种脊型波导缝隙天线的研究[4][5]。加脊可以拓展
根据波导缝隙阵列的设计理论，缝隙偏移量对 缝隙的谐振长度有较大影响。本文通过对谐振模型 进行电磁仿真，得到了缝隙偏移量x 与谐振长度 Lr 和工作波长λ比值之间的关系，如图4所示，该结论 与文献[6]相应曲线的变化趋势相同， 证明了计算谐 振模型的正确性，也为其它TWSA的设计提供了参 考 。 为 了 与 文 献 [7] 中 梯 形 单 脊 波 导 缝 隙 天 线 （STWSA） 的计算结果对比， 这里同样使缝隙宽度 为 1.0mm ， 偏 距 x=1.0mm ， 经 仿 真 计 算 此 时 Lr=11.28mm，因此，令缝隙长度L=11.28mm。基于 多辨分析计算[8]可得到波导截止波长λc=28.26mm， 根据公式（1）计算得到波导波长λg=40.00mm, 所 以缝隙间的距离为λg/2=20.00mm。 (1) λ λg = 2 λ 1− λc
[3] Kim D Y，Elliott R S．A design procedure for slot arrays fed by single ridged waveguide [J]． IEEE Transactions on Antenna and Propagation.1988, 36(11):1531-1536. [4] [5] [6] [7] [8] [9] 金剑,汪伟,万笑梅.宽带单脊波导缝隙天线阵设计[J].中 国电子科学研究院学报,2007,2(2): 152-154. 郑秋容, 袁乃昌, 高强. 遗传算法在非对称单脊波导缝隙 天线设计中的应用[J].微波学报, 2007,23(1):6-9,15. 施锦文,丁晓磊等. 矩形波导宽边纵向裂缝的分析[J]. 遥 测遥控,2006,27(6):16-20. 邸英杰.梯形单脊波导缝隙天线的研究及应用[D].西安: 西安电子科技大学,1999. 邸英杰,章日荣等. 基于多分辨分析计算波导的 TE 和 TM 模[J].电子科学学刊. 2000, 22 (4):645-652. 范景云 . 应用 HFSS9.0 设计波导裂缝驻波阵天线 [Z]. Ansoft2004 年用户通讯,14-17.
120
150
180
Theta/degree
(a)
619
0 -5 -10
-15 -20 -25 -30 0 30 60 90 120 150
-20~-40dB之间；天线增益为18.28dB，前后比达到 10dB以上。TWSA结构简单，不但具有高增益、低 旁瓣的特点，而且随着缝隙数量的增加，可以改善 天线的工作带宽，有着很好的应用前景。
Abstract: A trapezoidal waveguide slot antenna is designed. The relationship between slot offset and the ratio of slot resonant length and working wavelength is presented. The simulation results of voltage standing wave ratio (VSWR) as frequency varying are gotten when the antenna has three kinds of different number radiation slots. The simulation results are compared with the results of single-ridged trapezoidal waveguide slot antenna, which has same working frequency and same radiation slot number. The results show that as the number of slots increasing, the trapezoidal waveguide slot antenna has wider working bandwidth and better side-lobe performance than single-ridged trapezoidal waveguide slot antenna. Key words: Trapezoidal waveguide; Slot antenna; Electromagnetic simulation
12.9 13 13.1 Frequency/GHz
13.2
13.3
(b)
表 1 两种波导缝隙天线的工作带宽
N 6 TWSA 12.82~ 13.14GHz, 320MHz(VSWR<1.5) 12.7~ 13.26GHz, 560MHz(VSWR<2) 12.73~ 13.26GHz 530MHz(VSWR<2) STWSA 12.75~ 13.2GHz, 450MHz(VSWR<1.5) 12.74~ 13.24GHz 500MHz(VSWR<2) VSWR 均大于 2
Theta/degree
(b)
图6
十单元波导缝隙天线 H 面方向图（f=13GHz）
（a: TWSA; b: STWSA）
0 330 20 15 300 10 5 270 0 5 240 10 15 210 20 180 150 120 90 60 30
Journal of Applied Physics.1948,
8
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当辐射缝隙数量增加至八缝和十缝时，TWSA 具有更宽的工作带宽。特别是缝隙数目均为十缝 时，STWSA在工作频率范围内的VSWR均大于2， 性能非常差，而此时 TWSA 在工作频率范围内的 VSWR基本上都小于2。 可见， 随着缝隙数量的增加， TWSA具有更宽的工作带宽。 3.2 H面方向图 图 6 所 示 为 辐 射 缝 隙 均 为 十 缝 的 TWSA 和 STWSA在频率f=13GHz时的H面方向图。TWSA仿 真结果的第一旁瓣电平为-13.62dB， STWSA计算结 果的第一旁瓣电平为-13.17dB，相差不大，但很明 显 前 者 具 有更 低 的 副 瓣， 大 部 分 副瓣 都 集 中 在 -20~-40dB之间，说明TWSA具有更好的副瓣性能。 3.3 E面方向图 图7所示为辐射缝隙为十缝的TWSA，E面方向 图的仿真结果。可知，天线增益为18.28dB，前后比 达到10dB以上， 能量集中于前瓣。而文献[9]中具有
0.53 0.52 0.51 0.5 0.49 0.48 0 1 2 3 4 5 6 7 x /mm
Lr /λ
图4
不同缝隙偏置时的谐振缝隙长度
a
45°
3 数值结果分析
3.1 工作带宽的比较 图5(a)、(b)、(c)所示分别为具有六、八、十个 缝隙的TWSA在频率12.7~13.3GHz范围内，电压驻 波比（VSWR）随频率变化的仿真结果，作为比较， 图中还分别给出了文献 [7] 中设计的相同缝隙数目 （用N表示）的STWSA在该频率范围内VSWR随频 率变化的计算结果。将两种情况下，VSWR<2（六 缝隙时为VSWR<1.5）时所对应的工作带宽对比如 表1所示。由图5和表1可知，在相同频率范围内， 辐射缝隙数均为六缝时， 虽然STWSA比TWSA的带 宽稍微宽一些，但后者在中心频率附近的VSWR更 加接近1，驻波性能更好。
12.9 13 13.1 Frequency/GHz
13.2
13.3
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13.1
13.2
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Frequency/GHz
(a)
2.4 2.2
VSWR
(c)
2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8
TWSA STWSA
图5
不同缝隙单元两种天线的驻波特性来自百度文库
（a: N=6; b: N=8; c: N=10）
617
基金项目：天津市自然科学基金（07JCYBJC16800） ；教育 部科学技术研究重点项目（207007）
L
Feeding
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/4 λg
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Short
图 1 TWSA 驻波阵结构示意图
设计天线频带为： 12.8~13.2GHz ，中心频率 13.0GHz ，为了满足工作频率的要求，梯形波导 截面尺寸如图 2所示， 半圆头矩形缝隙位于厚度为 1.0mm的波导宽边上。在以往的设计中，为了得 到缝隙的谐振长度， 通常采用加工试验件的方法， 通过对试验件的测试得到 Y参数， 根据 Y参数来调 整缝隙长度达到谐振。这种方法的缺点是加工周 期长，要设计低副瓣天线时，需要精度很高的试 验件。 为了解决这个问题，本文采用电磁仿真的方 法，求解谐振长度的模型如图3所示，检测端口的 Y 矩阵参数可以等效于距检测端口二分之一个波 导波长的缝隙中心的Y矩阵参数，谐振时，缝隙的 等效阻抗或导纳为实数，因此Im(Y(11))＝0。根据 该原理对谐振模型进行仿真计算， 可迅速得到谐振 长度。
梯形波导缝隙天线的研究
成丹 郑宏兴 孙程光 冯立营 马兴兵 （天津工程师范学院天线与微波技术研究所，天津 300222） chengdan_tute@126.com
摘 要：设计了一种梯形波导缝隙天线，研究了缝隙位置偏移量与缝隙谐振长度和工作波长比值之间的关系，得到了三种 不同缝隙数目驻波天线的电压驻波比（VSWR）随频率变化的仿真结果，分别与相同工作频率范围，相同辐射单元数的梯形 单脊波导缝隙天线进行比较。结果表明，随着缝隙数量的增加，梯形波导缝隙天线具有更宽的工作带宽和更好的波瓣性能。 关键词：梯形波导，缝隙天线，电磁仿真
图2
b
图3 618
梯形波导横截面（a=17.31mm, b=a/2）
求解谐振长度模型
2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8
VSWR
VSWR
TWSA STWSA
2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 12.7 12.8 12.9
TWSA STWSA
波导的通频带宽度，然而，当天线的工作带宽远远 小于波导本身的通频带宽时，加脊的方法没有明显 的优势，反而增加了加工工艺的复杂性，本文提出 一种梯形波导缝隙天线（TWSA），可以改善天线 的工作带宽，又能使加工变得简单。
2 结构设计
从馈电方式上，一般把缝隙天线阵分为驻波阵 和行波阵两种，本文的设计为驻波阵，结构如图1 所示，在对称梯形波导的两个平行面中较宽的壁 （称为梯形波导的宽边）上开缝，缝隙为半圆头矩 形缝隙，x为缝隙中心线偏移波导宽边中心线的距 离，称为缝隙偏移量，缝长L约为λ/2。波导一端短 路，另一端馈电，缝隙的间距d=λg/2（λg为波导波 长），交替位于波导宽边中心线的两侧，使它们有 着相同的馈电相位，终端短路器距最近缝隙的距离 为λg/4。
Research on Trapezoidal Waveguide Slot Antenna
CHENG Dan, ZHENG Hong-xing, SUN Cheng-guang, FENG Li-ying, MA Xing-bing （Institute of Antenna and Microwave Techniques, Tianjin University of Technology and EducationTianjin 300222, China）
十六个单元缝隙的矩形波导缝隙天线的增益才为 18.2dB，可见本设计给出的TWSA具有较高的增益 和较好的前后比。
4 结论
本文研究了一种梯形波导缝隙天线（TWSA） ， 其仿真结果与文献[7]中具有相同工作频率范围， 相 同辐射单元数的梯形单
0 -10 -20
dB
-30 -40 -50
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30
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90
dB
参考文献
[1] Watson W H. The Physical Principles of Waveguide Transmission and Antenna Systems [M]. 1949, part7 and part 8, Clarendon Press, Oxford: 122-154. [2] Stevenson A F. Theory of Slots in Rectangular Waveguide [J]. 19(1):24-38.
1 引言
波导缝隙天线由于其低损耗、高效率、口径分 布容易控制，便于实现低副瓣等原因，已广泛应用 于雷达和通信系统。Watson[1]首先开展了对波导裂 缝的研究工作。Stevenson[2]利用波导的等效传输线 理论及波导格林函数，取缝隙长度为λ/2（λ为工作 波长） ，导出了各种形式缝隙的归一化电阻（电导） 的计算公式。用作辐射单元的波导缝隙有多种形 式，其中应用最多的是矩形波导宽边纵向缝隙和窄 边开倾斜缝两种。但是，随着缝隙数量的增多，矩 形波导宽边缝隙天线的带宽变窄，许多研究者通过 给波导加脊来改善这种情况，David Y．Kim[3]把矩 形波导缝隙天线阵的设计理论推广到对称单脊波 导宽边纵向裂缝天线的设计上。此后，有很多关于 各种脊型波导缝隙天线的研究[4][5]。加脊可以拓展
根据波导缝隙阵列的设计理论，缝隙偏移量对 缝隙的谐振长度有较大影响。本文通过对谐振模型 进行电磁仿真，得到了缝隙偏移量x 与谐振长度 Lr 和工作波长λ比值之间的关系，如图4所示，该结论 与文献[6]相应曲线的变化趋势相同， 证明了计算谐 振模型的正确性，也为其它TWSA的设计提供了参 考 。 为 了 与 文 献 [7] 中 梯 形 单 脊 波 导 缝 隙 天 线 （STWSA） 的计算结果对比， 这里同样使缝隙宽度 为 1.0mm ， 偏 距 x=1.0mm ， 经 仿 真 计 算 此 时 Lr=11.28mm，因此，令缝隙长度L=11.28mm。基于 多辨分析计算[8]可得到波导截止波长λc=28.26mm， 根据公式（1）计算得到波导波长λg=40.00mm, 所 以缝隙间的距离为λg/2=20.00mm。 (1) λ λg = 2 λ 1− λc
[3] Kim D Y，Elliott R S．A design procedure for slot arrays fed by single ridged waveguide [J]． IEEE Transactions on Antenna and Propagation.1988, 36(11):1531-1536. [4] [5] [6] [7] [8] [9] 金剑,汪伟,万笑梅.宽带单脊波导缝隙天线阵设计[J].中 国电子科学研究院学报,2007,2(2): 152-154. 郑秋容, 袁乃昌, 高强. 遗传算法在非对称单脊波导缝隙 天线设计中的应用[J].微波学报, 2007,23(1):6-9,15. 施锦文,丁晓磊等. 矩形波导宽边纵向裂缝的分析[J]. 遥 测遥控,2006,27(6):16-20. 邸英杰.梯形单脊波导缝隙天线的研究及应用[D].西安: 西安电子科技大学,1999. 邸英杰,章日荣等. 基于多分辨分析计算波导的 TE 和 TM 模[J].电子科学学刊. 2000, 22 (4):645-652. 范景云 . 应用 HFSS9.0 设计波导裂缝驻波阵天线 [Z]. Ansoft2004 年用户通讯,14-17.
120
150
180
Theta/degree
(a)
619
0 -5 -10
-15 -20 -25 -30 0 30 60 90 120 150
-20~-40dB之间；天线增益为18.28dB，前后比达到 10dB以上。TWSA结构简单，不但具有高增益、低 旁瓣的特点，而且随着缝隙数量的增加，可以改善 天线的工作带宽，有着很好的应用前景。
Abstract: A trapezoidal waveguide slot antenna is designed. The relationship between slot offset and the ratio of slot resonant length and working wavelength is presented. The simulation results of voltage standing wave ratio (VSWR) as frequency varying are gotten when the antenna has three kinds of different number radiation slots. The simulation results are compared with the results of single-ridged trapezoidal waveguide slot antenna, which has same working frequency and same radiation slot number. The results show that as the number of slots increasing, the trapezoidal waveguide slot antenna has wider working bandwidth and better side-lobe performance than single-ridged trapezoidal waveguide slot antenna. Key words: Trapezoidal waveguide; Slot antenna; Electromagnetic simulation
12.9 13 13.1 Frequency/GHz
13.2
13.3
(b)
表 1 两种波导缝隙天线的工作带宽
N 6 TWSA 12.82~ 13.14GHz, 320MHz(VSWR<1.5) 12.7~ 13.26GHz, 560MHz(VSWR<2) 12.73~ 13.26GHz 530MHz(VSWR<2) STWSA 12.75~ 13.2GHz, 450MHz(VSWR<1.5) 12.74~ 13.24GHz 500MHz(VSWR<2) VSWR 均大于 2