[論文精品] 波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計和仿真

1、波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計和仿真波導(dǎo)饋電的縫隙陣天線自第二次世界大戰(zhàn)以后有很大發(fā)展。它廣泛用于各種領(lǐng)域：1、地面、艦載、機(jī)載雷達(dá)2、導(dǎo)航雷達(dá)3、氣象雷達(dá)4、雷達(dá)信標(biāo)天線ll特別最近十幾年，隨著對雷達(dá)抗干擾要求的提高、脈沖多普勒可視雷達(dá)的發(fā)展，要求天線應(yīng)具有低副瓣或極低副瓣的性能，使波導(dǎo)縫隙天線成為此項要求的優(yōu)選形式。同時隨著各種計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，如數(shù)控機(jī)床的使用，天線的整體焊接技術(shù)等，為波導(dǎo)縫隙天線的使用創(chuàng)造了基礎(chǔ)。波導(dǎo)縫隙構(gòu)成的陣列主要有兩種形式，即波導(dǎo)寬邊開縫和波導(dǎo)窄邊開縫，我們本次主要向大家介紹的是波導(dǎo)寬邊開縫而構(gòu)成的波導(dǎo)縫隙天線陣的設(shè)計與仿真。波導(dǎo)寬邊縱縫陣列天線不但具有口面效率高、副瓣電

2、平低等優(yōu)良的電氣性能，而且還有厚度小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、安裝方便、抗風(fēng)力強(qiáng)、功率容量大等特 點(diǎn)，從而在機(jī)載火控雷達(dá)、導(dǎo)彈巡航等方面有著其它天線無法替代的優(yōu)勢。下面是幾個波導(dǎo)寬邊縫隙構(gòu)成的陣列在實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例。主要討論的內(nèi)容：1.波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計基礎(chǔ)理論2.波導(dǎo)縫隙行波線陣天線的設(shè)計和仿真3.波導(dǎo)縫隙駐波線、面陣天線的設(shè)計和仿真4.波導(dǎo)縫隙天線的ansoft hfss的實(shí)例設(shè)計和仿真（一）波導(dǎo)縫隙陣天線設(shè)計的基礎(chǔ)理論本章中您主要的目標(biāo)是：1.熟悉波導(dǎo)縫隙天線的基本概念。2.了解波導(dǎo)縫隙的基本等效電路。3.理解波導(dǎo)縫隙天線的基本電參數(shù)和縫隙陣列的構(gòu)成。4.知道波導(dǎo)縫隙天線的基本設(shè)計過程

3、。把一根波導(dǎo)放在自由空間，在波導(dǎo)輸入端輸入信號，波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載。如果在波導(dǎo)寬邊或窄邊上切割一個窄的縫隙，此縫隙切斷波導(dǎo)壁上的傳導(dǎo)電流，在縫隙上 將產(chǎn)生電場，且對波導(dǎo)內(nèi)壁電流產(chǎn)生擾動，并從波導(dǎo)內(nèi)耦合部分電磁能量向自由空間輻射。隨著縫隙切割在波導(dǎo)壁的位置不同，形成不同的縫隙形式。若縫隙的幾何尺寸、其在波導(dǎo)上的位置以及在波導(dǎo)中傳送能量確定，則縫隙輻射能量的幅度及相位就確定了。一般在工程應(yīng)用中，只要提到波導(dǎo)縫隙的設(shè)計，就會想到縫隙的等效電路。根據(jù)波導(dǎo)縫隙的等效電路形式，將波導(dǎo)縫隙可分為并聯(lián)縫隙和串聯(lián)縫隙。波導(dǎo)縫隙的等效阻抗（導(dǎo)納）自1940年以來，許多學(xué)者對縫隙天線理論和試驗(yàn)進(jìn)行了大量的工作。在波

4、導(dǎo)縫隙的等效阻抗（導(dǎo)納）理論分析工作上首推斯蒂文生（a.f.stevenson）所取得的出色成果。隨后奧里納、易宏躍、宋夫哈克和卡爾松等人將其進(jìn)一步推廣。二）波導(dǎo)縫隙行波線陣天線的設(shè)計和仿真本章中您主要的目標(biāo)是：熟悉波導(dǎo)縫隙行波線陣天線的基本屬性。了解波導(dǎo)縫隙行波線陣天線的構(gòu)成。知道波導(dǎo)縫隙行波線陣天線的基本設(shè)計過程。實(shí)際工程中可知當(dāng)縫隙陣天線的工作頻率確定以后，根據(jù)實(shí)際波導(dǎo)的工作的頻段，可以比較容易確定波導(dǎo)的尺寸。得到波導(dǎo)的寬邊長度a，窄邊長度b。將波導(dǎo)寬邊長度a，帶入上面公式，天線的主波束指向角度已知，就可求出縫隙間距d。根據(jù)波導(dǎo)縫隙陣列的設(shè)計理論，縫隙的偏移量對縫隙的諧振長度存在較大的影

5、響，目前在理論上還沒有十分明確的理論公式對這一影響進(jìn)行分析，通常是采用實(shí)際工 程中的經(jīng)驗(yàn)值作為縫隙的諧振長度。在根據(jù)實(shí)際加工測量的結(jié)果進(jìn)行部分的修正，最終得出縫隙的諧振長度，但是傳統(tǒng)的設(shè)計方法，需要比較長的設(shè)計、加工和測試 周期，不但使成本較高，而且非常費(fèi)時、費(fèi)力。參數(shù)設(shè)置： length:此模型主要優(yōu)化的變量。 offset:它主要調(diào)節(jié)并聯(lián)縫隙的等效電導(dǎo)值，我們將其設(shè)置為輔助變化量。設(shè)計要點(diǎn)：當(dāng)縫隙諧振時，有im(y)=0。應(yīng)用abs（ im(y) ）作為代價函數(shù)。將偏移距離offset從1mm以每步1mm的變化量調(diào)整到8mm，然后在每一變化點(diǎn)處優(yōu)化諧振長度。從而得到波導(dǎo)縫隙諧振長度與偏移距

6、離之間的關(guān)系，產(chǎn)生設(shè)計曲線從上圖可以看出， 天線的指向在29度左右，我們設(shè)計為30度，最大增益為19.35db因?yàn)槭蔷鶆蚍植几卑觌娖阶畲笾禐?.85db，相差12.5db與理論的 13db，基本一致，可以說明hfss v9.0在縫隙陣天線的設(shè)計上是十分有效的，可以作為我們廣大微波天線工程師們的得力助手。（ 三） 波導(dǎo)縫隙駐波線、面陣天線的設(shè)計和仿真 本章中您主要的目標(biāo)是：熟悉波導(dǎo)縫隙駐波線、面陣天線的基本屬性。知道波導(dǎo)縫隙駐波線、面陣天線的基本設(shè)計。 前面已經(jīng)講過駐波陣的定義了，這里就不在介紹了。線性和平面諧振式（駐波陣）縫隙波導(dǎo)陣的設(shè)計已廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工作中。所有的諧振式縫隙波導(dǎo)陣的公共基

7、本特點(diǎn)總結(jié)如下：在天線陣中，所有的縫隙都是諧振的，也就是在中心頻率上，縫隙等效電路的導(dǎo)納或電抗都為零。波導(dǎo)駐波電壓最大值出現(xiàn)在并聯(lián)縫隙上，最小值出現(xiàn)在串聯(lián)縫隙上。#在同一波導(dǎo)上，毗鄰的縫隙都相距半個波導(dǎo)波長。#主波束垂直于天線陣的口面（寬邊）為使相距半個波導(dǎo)波長的兩個縫隙輻射同相位。毗鄰的縱向縫隙都放在波導(dǎo)的中心線的兩邊。由于平面陣列可以看成是線陣的組合，因此平面陣的設(shè)計很類似線性陣的設(shè)計。這兩種天線的互耦情況是不同的，因此分別加以討論。1、線性天線陣設(shè)計與仿真諧振式線陣為了保證輸入端在中心頻率上完全匹配，要求如下：對一端饋電的縫隙波導(dǎo)，所有歸算的縫隙諧振的電導(dǎo)的總和等于1；對中心饋電的等于2

8、。對給定的縫隙位置上，要求縫隙諧振電導(dǎo)正比于輻射功率。設(shè)計一個中心頻率為10ghz 的波導(dǎo)縫隙線陣天線。設(shè)計要求：副瓣電平低于-20db，增益大于等于18db，駐波比小于1.5帶寬為100mhz。 根據(jù)設(shè)計要求，陣列形式選擇為矩形波導(dǎo)寬邊縱向駐波陣列，采用一根輻射波導(dǎo)，在其寬邊開16 個縫隙，波導(dǎo)一端加短路板，另一端為饋電端口。對陣列進(jìn)行泰勒分布加權(quán)，得到電流分布，從而得到各縫隙陣元等效電導(dǎo)值，算出對應(yīng)的偏移量，進(jìn)而得到各陣元的諧振長度。 根據(jù)前面所述的理論計算出各個縫隙的等效電導(dǎo)值， 應(yīng)用公式斯蒂文生推倒的波導(dǎo)縱縫的導(dǎo)納等效公式計算出各個縫隙的偏移量,在不同偏置位置對縫隙諧振長度進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)

9、過優(yōu)化我們可以的得到，如下數(shù)據(jù)：和波導(dǎo)縫隙行波陣的模型建立過程相同，只是端口設(shè)定中，一端為波導(dǎo)端口，另一端為短路面。在這個模型中我們給出了考慮到波導(dǎo)壁厚的模型形式，按照波導(dǎo)縫隙 天線的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)建立模型。應(yīng)用第二種方法重復(fù)了行波陣，從計算結(jié)果來看，兩種設(shè)計建模方法得出的結(jié)論基本一致，僅在后瓣的地方有細(xì)微的差別，這里就不 在詳細(xì)敘述。從仿真結(jié)果看，模型基本滿足設(shè)計要求，增益沒有達(dá)到預(yù)想的18db，可能是由于在畫模型時并沒有使每一個縫隙都在其諧振長度上，只是去了個平均值，在工程實(shí)踐中設(shè)計低副瓣或極低副瓣的波導(dǎo)縫隙天線，則必須按詳細(xì)的波導(dǎo)基本電參數(shù)來設(shè)計。根據(jù)這種設(shè)計思想，我們設(shè)計了一個平板波導(dǎo)縫

10、隙陣列。具體設(shè)計步驟如下：1、根據(jù)天線的增益要求和副瓣電平要求，計算處所需的波導(dǎo)數(shù)和波導(dǎo)上所看的縫隙數(shù)，天線口徑面上縫隙的分布。2、對于單根縫隙波導(dǎo)，則根據(jù)對中心饋電的縫隙波導(dǎo)，所有縫隙諧振的等效電導(dǎo)的總和等于23、根據(jù)每一根的波導(dǎo)上縫隙數(shù)目和電流分布情況，計算出各個縫隙的等效電導(dǎo)值，例如縫隙在波導(dǎo)上均勻分布，在此波導(dǎo)上準(zhǔn)備開5個縫隙，則每個波導(dǎo)縫隙的等效電導(dǎo)值為0.4。4、應(yīng)用前面對線陣設(shè)計中講過的方法，根據(jù)各個波導(dǎo)縫隙的等效電導(dǎo)值計算出各波導(dǎo)縫隙偏離波導(dǎo)中心的偏移量。5、根據(jù)陣面要求設(shè)計，波導(dǎo)間的間距。一般兩個波導(dǎo)間距為波導(dǎo)寬邊長度加波導(dǎo)壁厚。6、根據(jù)波導(dǎo)數(shù)和波導(dǎo)的分布情況結(jié)合，前面的設(shè)計

11、縫隙參數(shù)，建立仿真的陣面模型。7、根據(jù)波導(dǎo)的陣面模型，建立相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)。8、在設(shè)計饋電波導(dǎo)的各個縫隙時，要建立對傾斜縫隙的等效模型，進(jìn)行優(yōu)化求解，傾斜縫隙的等效模型如圖所示。在不同傾角時優(yōu)化縫隙的諧振長度，具體過程可參考偏移縫隙諧振長度優(yōu)化。當(dāng)縫隙在諧振時，有im（y（11）0。2a、單脈沖平板縫隙陣天線仿真許多雷達(dá)工作于單脈沖模式。單脈沖天線分為幅度及相位單脈沖兩種形式。平板天線構(gòu)成的單脈沖天線屬于相位單脈沖天線，為取得單脈沖信號通常把天線劃分為四個象限，每個象限再分為若干個子陣列。四個象限的信號通過饋電網(wǎng)絡(luò)形成“和”“差”信號，由于在工程實(shí)踐中受重量體積的限制，天線設(shè)計中僅保證“和”波瓣

12、按最佳設(shè)計。對“差”波瓣的副瓣電平一般不作要求。要求“差”波瓣有以下指標(biāo)：1、零點(diǎn)深度：差波瓣零值低于和波瓣最大值的數(shù)值，典型值為30db。2、零點(diǎn)漂移：指零點(diǎn)方向隨頻率、溫度等變化而產(chǎn)生的偏移，一般要求-3db/100。在相位單脈沖情況下，由于“和”“差”信號固有相差為90度。因而在形成誤差信號前應(yīng)補(bǔ)償?shù)粝嗖睢?下面的圖為實(shí)例的單脈沖平板縫隙陣天線的hfss模型。其設(shè)計流程與一般的波導(dǎo)縫隙平板天線的設(shè)計流程基本一致，只是在建模的時候可根據(jù)其四個象限的對稱性，簡化建模過程。再者如果計算機(jī)的配置并不是太好，可能hfss不能計算這樣的電大尺寸的模型，您可以選擇hfss中的對稱邊界條件的設(shè)置，這樣可

13、以大大的減少計算量和縮短計算時間和波導(dǎo)縫隙行波陣的模型建立過程相同，只是端口設(shè)定中，一端為波導(dǎo)端口，另一端為短路面。在這個模型中我們給出了考慮到波導(dǎo)壁厚的模型形式，按照波導(dǎo)縫隙 天線的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)建立模型。應(yīng)用第二種方法重復(fù)了行波陣，從計算結(jié)果來看，兩種設(shè)計建模方法得出的結(jié)論基本一致，僅在后瓣的地方有細(xì)微的差別，這里就不 在詳細(xì)敘述。從仿真結(jié)果看，模型基本滿足設(shè)計要求，增益沒有達(dá)到預(yù)想的18db，可能是由于在畫模型時并沒有使每一個縫隙都在其諧振長度上，只是去了個平均值，在工程實(shí)踐中設(shè)計低副瓣或極低副瓣的波導(dǎo)縫隙天線，則必須按詳細(xì)的波導(dǎo)基本電參數(shù)來設(shè)計。根據(jù)這種設(shè)計思想，我們設(shè)計了一個平板波導(dǎo)縫

14、隙陣列。具體設(shè)計步驟如下：1、根據(jù)天線的增益要求和副瓣電平要求，計算處所需的波導(dǎo)數(shù)和波導(dǎo)上所看的縫隙數(shù)，天線口徑面上縫隙的分布。2、對于單根縫隙波導(dǎo)，則根據(jù)對中心饋電的縫隙波導(dǎo)，所有縫隙諧振的等效電導(dǎo)的總和等于23、根據(jù)每一根的波導(dǎo)上縫隙數(shù)目和電流分布情況，計算出各個縫隙的等效電導(dǎo)值，例如縫隙在波導(dǎo)上均勻分布，在此波導(dǎo)上準(zhǔn)備開5個縫隙，則每個波導(dǎo)縫隙的等效電導(dǎo)值為0.4。4、應(yīng)用前面對線陣設(shè)計中講過的方法，根據(jù)各個波導(dǎo)縫隙的等效電導(dǎo)值計算出各波導(dǎo)縫隙偏離波導(dǎo)中心的偏移量。5、根據(jù)陣面要求設(shè)計，波導(dǎo)間的間距。一般兩個波導(dǎo)間距為波導(dǎo)寬邊長度加波導(dǎo)壁厚。6、根據(jù)波導(dǎo)數(shù)和波導(dǎo)的分布情況結(jié)合，前面的設(shè)計

15、縫隙參數(shù)，建立仿真的陣面模型。7、根據(jù)波導(dǎo)的陣面模型，建立相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)。8、在設(shè)計饋電波導(dǎo)的各個縫隙時，要建立對傾斜縫隙的等效模型，進(jìn)行優(yōu)化求解，傾斜縫隙的等效模型如圖所示。在不同傾角時優(yōu)化縫隙的諧振長度，具體過程可參考偏移縫隙諧振長度優(yōu)化。當(dāng)縫隙在諧振時，有im（y（11）0。2a、單脈沖平板縫隙陣天線仿真許多雷達(dá)工作于單脈沖模式。單脈沖天線分為幅度及相位單脈沖兩種形式。平板天線構(gòu)成的單脈沖天線屬于相位單脈沖天線，為取得單脈沖信號通常把天線劃分為四個象限，每個象限再分為若干個子陣列。四個象限的信號通過饋電網(wǎng)絡(luò)形成“和”“差”信號，由于在工程實(shí)踐中受重量體積的限制，天線設(shè)計中僅保證“和”波瓣按最佳設(shè)計。對“差”波瓣的副瓣電平一般不作要求。要求“差”波瓣有以下指標(biāo)：1、零點(diǎn)深度：差波瓣零值低于和波瓣最大值的數(shù)值，典型值為30db。2、零點(diǎn)漂移：