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          矩形波導(dǎo)寬邊四元斜縫天線

          作者: 時(shí)間:2012-03-01 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

           引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/260276.htm

            波導(dǎo)縫隙天線具有口面場(chǎng)分布容易控制,沒(méi)有能量漏失、天線口徑效率高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、強(qiáng)度高、安裝方便、抗風(fēng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),而且容易實(shí)現(xiàn)窄波束、賦形波束、低副瓣乃至超低副瓣,所以波導(dǎo)縫隙天線已經(jīng)成為新型雷達(dá)中天線的優(yōu)選形式,被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和通訊領(lǐng)域。該天線要求在水平面內(nèi)具有寬波束的特點(diǎn),能夠覆蓋比較寬的范圍,從而更有效地提高車(chē)輛的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。天線需要滿(mǎn)足的性能指標(biāo)如下:a.增益:大于11dB;b.3dB波束寬度:E面為20°,H面為110°;c.副瓣電平:小于-13dB;d.駐波比:小于2。

            波導(dǎo)縫隙天線是一種重要的微波天線,在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而,隨著波導(dǎo)縫隙數(shù)目的增加,單純依靠仿真軟件或是數(shù)值方法,在普通PC機(jī)上都很難進(jìn)行分析。因此,對(duì)大型波導(dǎo)縫隙天線快速高效的分析計(jì)算成為工程上的迫切需要。本文基于廣義導(dǎo)納矩陣(GAM),圍繞大型波導(dǎo)縫隙天線的快速分析展開(kāi)了研究:本文首先采用模式匹配的經(jīng)典理論,建立了以波導(dǎo)縫隙天線裂縫所在平面法線方向?yàn)閰⒖挤较虻姆治瞿P停瑢⑻炀€分成內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域。對(duì)于天線內(nèi)部區(qū)域,提出了行波狀態(tài)利諧振狀態(tài)兩種情況下波導(dǎo)縫隙天線內(nèi)部區(qū)域廣義導(dǎo)納參數(shù)的快速提取方案,建立了具有廣泛適用性的天線單元廣義導(dǎo)納參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了縫隙天線內(nèi)部區(qū)域GAM的級(jí)聯(lián),得到了廣義輸入導(dǎo)納等主要參數(shù),與仿真結(jié)果吻合良好。

            1 理論分析

            1.1 串聯(lián)縫隙陣的模型

            由波導(dǎo)內(nèi)的場(chǎng)分布情況可知:當(dāng)波導(dǎo)寬邊中心開(kāi)斜縫時(shí),窄縫在縱向不切割電流線;在縫的橫向由于對(duì)電場(chǎng)的擾動(dòng),使得總電場(chǎng)在縫的兩側(cè)發(fā)生跳變,即電壓跳變,故相當(dāng)于在傳輸線上串聯(lián)了一個(gè)阻抗。對(duì)中心饋電的諧振線陣模型來(lái)說(shuō),假設(shè)波導(dǎo)壁上開(kāi)有Ⅳ爪斜縫,縫與縫中心間距λg/2,為取得同相激勵(lì),相鄰縫交叉傾斜放置,波導(dǎo)末端短路板距終端縫隙λg/2,以使縫隙中心處于電壓或電流最大值位置,線陣模型如圖1所示。

            

          圖中所示均為歸一化的等效電阻。

            1.2 縫隙特性參數(shù)的分析

            在天線工作頻率的選取上,本雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率為10.5GHz,故該天線的工作頻率為10.5GHz,,對(duì)于陣列中各單元以等間距位于直線上的線陣,其陣列因子可表示為:

            將后一項(xiàng)按多項(xiàng)式展開(kāi),Z的各次冪系數(shù)即為相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)幅度。

            由圖2,當(dāng)波導(dǎo)采用中心饋電并處于諧振的時(shí)候(其阻抗虛部為零),對(duì)泰勒分布而言,則有:

            將之前得到的每個(gè)縫隙的激勵(lì)幅度代入即可求得相應(yīng)的歸一化電阻值,在本設(shè)計(jì)中N取4。

            A.F.STevensON利用洛倫茲互易定理及波導(dǎo)中功率的平衡方程,得到了串聯(lián)縫隙的歸一化等效電阻表示式為:

            

            其中β表示縫隙中心線與波導(dǎo)寬邊中心線之間的夾角,α為寬壁的長(zhǎng)度,b為窄壁的長(zhǎng)度。將之前求得的rn代入并求解方程可得到對(duì)應(yīng)的縫隙偏角。

            1.3 影響天線性能的因素

            應(yīng)用以上所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行天線的設(shè)計(jì),還必須考慮縫隙間的互耦問(wèn)題;若不考慮互耦,將使天線口徑面的幅度分布和相位分布變壞,同時(shí)也將惡化天線的輸入端匹配。

            串聯(lián)縫隙與縱向縫隙相比,由于其角度偏轉(zhuǎn)的原因,其交叉極化輻射要比縱向縫隙高,這會(huì)帶來(lái)副瓣電平的升高和增益的降低,仿真結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn),而這是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中所不希望看到的,需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設(shè)計(jì)中,采用在每個(gè)縫隙上方加一個(gè)小波導(dǎo)口的辦法,小波導(dǎo)的傳播方向垂直于縫隙所在的平面。

            2 建模與仿真

            本文在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線的過(guò)程中,設(shè)計(jì)中的數(shù)值仿真都是在CST時(shí)域求解器的環(huán)境中完成的。

            2.1 天線模型的建立

            輻射波導(dǎo)選用的尺寸是22.86×10.16mm,縫一側(cè)的波導(dǎo)壁厚1mm,縫寬為2mm,波導(dǎo)兩端為理想短路面;截止波導(dǎo)16×8mm。建立模型,其框架圖如圖3所示:

            其中黑色標(biāo)記處為同軸線中心饋電點(diǎn);輻射口上方的方形材料為天線罩;從左到右縫隙的編號(hào)依次為1~4。

            2.2 仿真結(jié)果分析

            仿真中將縫長(zhǎng)l和傾角β設(shè)置成變量,l的初始值取λ/2,利用CST的參數(shù)掃描功能,對(duì)縫隙長(zhǎng)度和傾角進(jìn)行掃描。通過(guò)設(shè)置合理的步長(zhǎng),能夠加快掃描進(jìn)度,減少計(jì)算時(shí)間。由于本設(shè)計(jì)采用的是同軸線中心饋電,需要考慮阻抗匹配的問(wèn)題,否則會(huì)在與波導(dǎo)的連接處產(chǎn)生反射,影響天線的性能。根據(jù)λ/4阻抗變換的原理,在仿真中通過(guò)改變同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行匹配,觀察端口模式當(dāng)同軸線輸入阻抗為50 Ω時(shí)即認(rèn)為達(dá)到了所需的效果,經(jīng)過(guò)仿真得到同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針長(zhǎng)度為8.5mm。并在此基礎(chǔ)上仿真得到縫隙的參數(shù)如下:

          從仿真結(jié)果中可以很明顯看出,中心頻率處駐波比達(dá)到了非常理想的效果,在駐波比為2以下的帶寬大約為400MHz,其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求;其H面方向圖(即天線架裝后的水平方向圖)波束寬度達(dá)到了寬角度探測(cè)的要求;E面方向圖也達(dá)到了指標(biāo)要求,不足之處在于其副瓣電平還不是非常理想,這主要是由于為了滿(mǎn)足波束寬度的需要而采用縫隙數(shù)較少的緣故,但其損失在可接受的范圍內(nèi)。

            3 結(jié)束語(yǔ)

            本文從應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)際情況出發(fā),利用波導(dǎo)寬邊中心斜縫的形式設(shè)計(jì)了一款小型天線,通過(guò)仿真分析,其各項(xiàng)性能參數(shù)都達(dá)到了規(guī)定的指標(biāo)要求。對(duì)于天線外部區(qū)域,建立了帶無(wú)限大導(dǎo)電板的波導(dǎo)縫隙陣列的分析模型,推導(dǎo)出表征波導(dǎo)縫隙天線外部區(qū)域各單元之間模式耦合的廣義導(dǎo)納參數(shù)的積分方程。并且由于體積小、穩(wěn)定性好、能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要,在實(shí)際制作由于加工工藝等方面的原因會(huì)造成一定的誤差,需要嚴(yán)格控制加工誤差。



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