波导裂缝天线

1.3时域有限差分法概述
时域有限差分法（Finite Difference Time Domain, FDTD）作为一种电磁场数值计算的新方法是K.S.Yee[19]于1966年首次提出的。该方法直接从时域Maxwell旋度方程出发，对电场分量和磁场分量在空间和时间上进行交替咬合求解，不需要任何导出方程，较之矩量法和有限元法有一定的直观性，易于掌握。
1.2.2天线效率
雷达裂缝天线收发状态共用一根天线，采用收发开关控制发射和接收状态。当天线处于发射状态时，为了保证整个裂缝振子都处在最佳工作状态，馈给每一振子以充分能量，在设计中发射能量除满足上述状态外，还必须有一部分能量到达终端被匹配负载所吸收，以此来保证裂缝天线处在行波状态下。这样，就存在一个辐射能量与耗损在吸收负载上的无用能量的关系，一般二米、三米裂缝天线的效率η在（80～90）％，也就是说，在发射状态下要损耗能量的（20～10）％，天线工作在接收状态，同样也有（20～10）％的接受能量被吸收负载所损耗，这对天线来说自然是一种能量的损失[18]。
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日期：年月日
摘
时域有限差分法（FDTD）作为一种电磁场数值计算方法以其简单、直观等特点近年来备受业界关注和厚爱。本文按由简到繁的顺序，逐步介绍FDTD在一维、二维和三维电磁场问题上的基本使用技术，旨在给出该方法的基本构成脉络，并运用此方法分析计算单裂缝天线。
分类号
密级
U D C
单位代码10151
基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计
谭晓明
指导教师
房少军
职称
教授
学位授予单位
大连海事大学
申请学位级别
硕士
学科与专业
通信与信息系统
论文完成日期
2008.1
论wenku.baidu.com答辩日期
2008.3.26
答辩委员会主席
TheAnalysis and Design ofSlotAntenna Based onFinite-Difference Time-DomainMethod
1.2
1.2.1脉冲宽度与天线长度
雷达发射脉冲宽度 限制着裂缝天线长度的增加[17]。为了提高雷达目标观察的分辨力，对天线波束要求越来越窄，也就是天线长度必须增加，但是当天线长度超过脉冲宽度所对应的某一范围时，天线方向性图就会变坏，甚至失效，这样天线长度与脉冲宽度之间就产生了矛盾，这个矛盾不解决，窄波束的大型雷达裂缝天线就无法形成。
随后，由于缝隙天线具有在结构上易于与其载体共形等优点，引起了学者的广泛关注和研究兴趣，取得了大量研究成果[5-14]，其中以H.Y.Yee[15]较为突出，他解决了纵向缝隙的偏置对缝隙谐振长度的影响，得到了缝隙归一化导纳的精确结果。然而，由于实际缝隙的复杂性，尤其是波导窄边缝隙的问题仍然难以得到与实际准确吻合的理论模型，直到二十世纪七、八十年代，随着计算机技术的飞速发展，电磁场数值计算成为可能，也使得缝隙天线的分析和设计上了一个新台阶。1973年，Vu.Kuac和Carson首次采用矩量法完成了纵向缝隙的理论分析和计算，使用电磁场理论的等效原理，用短路导电片和磁流片来代替缝隙上的场分布，将计入的波导壁厚度看作一个缝隙腔体，借助于耦合积分方程解决了壁厚和互耦的影响[16]。
Excited from a single end of a waveguide,the length of a slotted-waveguide antenna is restricted by the width of radar transmitted pulse, soit is difficult to implement alarge-scaleradarslot antenna with narrow beams. However, we should not ignore the fact that slot antenna has many advantages. To overcome this contradiction,the paper provides a design of slotted-waveguide antenna which is excited from both end of thewaveguide, and simulatesit with the help of HFSS. According to the requirement of directivity, this researcher designs the amplitudedistribution of the aperturesbased on modifiedChebyshev array, and calculatesit by writing program usingMATLAB. The complex arrangement of the slots in the narrow face of a waveguide brings much trouble to model it in HFSS, so the present paper offers a method to create the model byproducingmodelscriptsinMATLAB.This method can establish a complex modelquickly and exactly.The simulating result shows that this antenna can basically satisfy the practical requirement.
关键词：裂缝天线；时域有限差分法；双端馈电；切比雪夫阵；
Abstract
As a numerical calculating method of electromagnetic field, the Finite-Difference Time-Domain(FDTD)method is generally favored in the professional fieldbecause of its simplicity. Arranged in an order from simple to complex, this paper introduces respectively the basic operating technique of FDTD used in one dimensional,two dimensional and three dimensional electromagnetic field problems. It is aimed to explain the basic structure of this method and use it to analyze and calculate a slot antenna.
作为裂缝阵列天线的理论基础，本文从对偶原理出发，分析并比较了半波对称振子和半波缝隙天线的场型特点，在此基础上分析了波导上单个缝隙的辐射机理和型式，并分析了由多个缝隙构成的波导裂缝天线阵的特点，给出相关的计算公式。
单端馈电的波导裂缝天线，它的长度受到雷达发射脉冲宽度的限制，因此在港口雷达站等要求窄波束的条件下，大型裂缝天线就难以实现。但裂缝天线有许多优点，为了克服上述矛盾，论文的最后设计了一种双端相向馈电的波导裂缝天线，并借助Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS进行仿真。根据对方向图的要求，采用修正的切比雪夫阵设计该天线各缝隙的电流分布，并编写MATLAB程序进行计算。由于窄边开缝的波导裂缝天线各个缝隙排列复杂，给HFSS建模带来了困难，所以本文提供了利用MATLAB生成脚本程序来建立仿真模型的方法，该方法能快速准确地建立复杂模型。仿真结果表明所设计的双端相向馈电的波导裂缝天线基本满足使用要求。
Dissertation Submitted to
Dalian Maritime University
In partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Engineering
By
Tan XiaoMing
(Communication and Information System)
Dissertation Supervisor: Professor
January,2008
大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。
Key Words：slot antenna；FDTD；both end excited；Chebyshev array
第1
1.1缝隙天线的研究状况及发展
对缝隙天线的研究始于二十世纪四十年代。经过几十年的研究，缝隙阵列天线在理论和实践上都得到了很大的发展[1]。
缝隙天线最早是在1946年由H.G.Booker提出，但当时没有引起学者的注意[2]。A.F.Stevenson[3]于1948年发表了题为“Theory of Slot in Rectangular Waveguide”的论文，建立了关于波导缝隙辐射的基本理论模型，把波导上的缝隙等效为传输线上的并联电导或串联电阻，但是，在Stevenson的理论模型中已假定波导壁厚近似为零，显然这与实际情况存在一定的偏差。1959年A.A.Oliner[4]发表论文“The Impedance Properties of Narrow Radiating Slots in the Broad Face of Rectangular waveguide”，考虑了波导壁厚的影响，利用变分公式，计算了缝隙的电阻和电抗。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：年月日
学位论文版权使用授权书
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Proceeding from the principle of duality, the paper analyzes and compares the field features of half-wavelength band dipole and half-wavelength aperture antenna,which is the theoretical basis of slotted antenna array, Based on this then,the author will analyze the mechanism of a aperture in on a waveguide and the features of slotted-waveguide antenna array formed by a number of aperture. Finally, the author presents the relevant formulas.
经过四十多年的发展，FDTD已具备了非常强大的解决多种复杂问题的能力，获得了广泛的应用，其中有[20]：
——辐射天线的分析，例如柱状和锥状天线，接地导体附近的天线，喇叭天线，微带天线，手机天线，缝隙天线，螺旋天线以及天线阵列等。
——微波器件和导行波结构的研究，例如波导，介质波导，微带传输，波导中的孔缝耦合，铁氧体器件，加载谐振腔等。