O 引言
波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)自上世紀(jì)中葉以來(lái)有了很大的發(fā)展,廣泛用于地面、艦載、機(jī)載、導(dǎo)航等各個(gè)領(lǐng)域。由于縫隙陣列天線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)口徑面內(nèi)的幅度分布容易控制,口徑面利用率高,體積小,易于實(shí)現(xiàn)低或極低副瓣等特點(diǎn),因而使其獲得廣泛使用。在波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)的研究方面,許多學(xué)者對(duì)縫隙天線(xiàn)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性的研究工作,因而波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)的理論越來(lái)越成熟。本文所設(shè)計(jì)的就是基于車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的一種小型波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)。該天線(xiàn)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(xiàn)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" title="駐波比">駐波比:小于2。
為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)起見(jiàn),本設(shè)計(jì)采用波導(dǎo)寬壁斜縫諧振陣的方式,切割的縫隙數(shù)為4個(gè),達(dá)到了指標(biāo)要求的效果。
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(xiàn);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(xiàn)上串聯(lián)了一個(gè)阻抗。對(duì)中心饋電的諧振線(xiàn)陣" title="線(xiàn)陣">線(xiàn)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(xiàn)陣模型如圖1所示。
其等效電路如圖2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(xiàn)工作頻率" title="工作頻率">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(xiàn)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(xiàn)上的線(xiàn)陣,其陣列因子可表示為:
其中An為激勵(lì)的幅度,θ為觀(guān)察方向與直線(xiàn)的夾角,d為陣元間距。由于諧振陣各單元是同相的,即φn=O,則上式可簡(jiǎn)化為:
當(dāng)u=2mπ,m=O,±1,…時(shí),S取最大值,且m=0時(shí)為主瓣。為了實(shí)現(xiàn)低副瓣并使主瓣展寬,采用中心饋電從陣中到邊緣幅度遞減,按泰勒線(xiàn)源分布加權(quán)各縫隙,兩邊呈對(duì)稱(chēng)分布,其方向圖" title="方向圖">方向圖零點(diǎn)位置由下式?jīng)Q定:
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(xiàn)與波導(dǎo)寬邊中心線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)口徑面的幅度分布和相位分布變壞,同時(shí)也將惡化天線(xiàn)的輸入端匹配。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的飛速發(fā)展,在設(shè)計(jì)比較小的縫隙陣列時(shí),通過(guò)仿真得到近場(chǎng)數(shù)據(jù)的近場(chǎng)診斷法越來(lái)越受到重視。在縫隙數(shù)為4的情況下,根據(jù)上面得出的參數(shù),結(jié)合CST軟件中參數(shù)掃描的功能,能夠快速地找到準(zhǔn)確的電參數(shù),大大提高了設(shè)計(jì)的效率。
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。在不增加其傳播方向長(zhǎng)度的情況下,通過(guò)控制小波導(dǎo)的寬邊尺寸,使其截止波長(zhǎng)小于縫隙在交叉極化方向上傳播模的截止波長(zhǎng),來(lái)抑制交叉極化電平。為進(jìn)一步降低交叉極化電平,同時(shí)也對(duì)主瓣波形進(jìn)行調(diào)整,參照仿真結(jié)果,可在小波導(dǎo)口中間插入金屬片來(lái)進(jìn)一步減小其寬邊尺寸,仿真結(jié)果表明,該方法能有效地降低交叉極化所帶來(lái)的影響。
2 建模與仿真
本文在設(shè)計(jì)波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)中心饋電點(diǎn);輻射口上方的方形材料為天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體探針的長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行匹配,觀(guān)察端口模式當(dāng)同軸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)??傮w來(lái)說(shuō),各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)。
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)了一款小型四元線(xiàn)陣天線(xiàn),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。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。