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一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真_李高升

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X波段波导缝隙全向天线的仿真设计

X波段波导缝隙全向天线的仿真设计

- 140 - Ansoft2004年用户通讯X波段波导缝隙全向天线的仿真设计成玲玲 倪文俊 蒋凡杰（中国电子科技集团公司第51研究所上海201802）摘 要：波导缝隙天线的严格解计算复杂，对于缝隙的诸多参数很难确定。

本文用Ansoft HFSS 9.2电磁仿真软件对所设计的波导缝隙全向天线进行建模、计算分析，并进行参数扫描，得到了优化的尺寸参数。

根据该尺寸进行样品加工和测试，测试结果和仿真值相当吻合。

关键词：波导缝隙全向天线、 Ansoft HFSS、电磁仿真一 引言X波段水平极化全向天线常用作雷达信标天线，应用场合相当广泛。

其实现方法主要有圆波导开槽、同轴线型裂缝槽、向并联裂缝（即双面缝隙）t, 缝隙间距p, 以及最后一对缝隙离波导顶端短路面的距离D。

波导缝隙全向天线属于由驻波激励的谐振缝隙阵。

对于这类天线的设计计算方法，诸多文献均有论述[1][2]。

但参考文献中对缝隙导纳的计算公式均是基于常规单面波导缝进行的，当用于扁波导双面缝隙时，存在一定偏差。

以往设计时，通常要经过大量的调试测试工作，才能最终确定天线尺寸参数，设计周期长、研制成本高、调试工作量大。

所以必须要寻求新的设计方法。

Ansoft HFSS是基于有限元方法的高频电磁场仿真分析软件，能对任意三维结构的电磁场进行分析计算，并能得出特性阻抗、S参数、辐射场、天线方向图等结果。

HFSS 9还具有参数化建模、参数扫描分析、优化等功能，适合于天线等电磁问题的求解。

本文利用HFSS 9.2进行波导缝隙全向天线的仿真设计，并根据设计结果进行了样品加工和电性能测试。

二 仿真设计方法本文所设计的波导缝隙全向天线工作于X波段，用作雷达信标天线，其主要技术指标为：z工作频率：9200～9500MHzz天线增益：≧6dBiz极化形式：水平极化z电压驻波比：≦1.8:1z水平面方向图：全向，不圆度≦±1dBz垂直面波瓣宽度：≧20°根据指标要求，选择3对缝隙，先根据常规设计计算方法算出天线的初始尺寸，用Ansoft HFSS 9.2软件进行仿真设计，得出优化的尺寸参数，并根据该参数加工样品和实际测试。

波导缝隙天线的设计和仿真

波导缝隙天线的设计和仿真

波导缝隙天线的设计和仿真波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。

它广泛用于各种领域：1、地面、舰载、机载雷达2、导航雷达3、气象雷达4、雷达信标天线LL………………………………特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。

同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。

波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。

波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。

下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。

主要讨论的内容：1.波导缝隙天线的设计基础理论2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论本章中您主要的目标是：1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。

2.了解波导缝隙的基本等效电路。

3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。

4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。

把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。

如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。

随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。

若缝隙的几何尺寸、其在波导上的位置以及在波导中传送能量确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。

一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。

X波段低副瓣波导缝隙阵列天线设计

X波段低副瓣波导缝隙阵列天线设计

０ 引 言
波导缝隙天线具有口径面场分布容易控制、天线 口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、强度高、安装方 便等优点，被广泛应用于雷达和通讯领域［１］ 。 早期的 波导裂缝天线设计主要通过加工、测试大量的试验小 面阵，从测试数据中提取缝隙的导纳参数，再以此设计 缝隙天线，耗费较多的时间，成本也较高［２］ 。 电磁仿 真软件的出现，可利用仿真软件获得波导缝隙天线的 散射参数，再用理论公式计算出缝隙的有源导纳［３］ ， 极大提高了天线设计的效率。 但是，由于波导缝隙的 边缘缝隙和中间缝隙的互耦不同，电磁仿真软件提取 的导纳参数并不十分准确。 本文采用电磁仿真软件和 传统理论结合的方法，在设计过程中利用仿真软件计
－３０ ｄＢ，缝隙间距取 ０．４６λｇ，缝隙数量为 １１０ 个，采用 副瓣电平为－３５ ｄＢ、等副瓣个数为 ８ 的泰勒分布。 缝 隙幅度分布如图 １ 所示。
收稿日期：２０１８⁃１１⁃０９；修回日期：２０１８⁃１２⁃０１ 作者简介：简玲，女，１９８０ 年生，高级工程师，硕士，研究方向：微波天线技术；石磊，男，１９８３ 年生，高级工程师，硕士，研究方向：微
波天线技术；陈晓鹏，男，１９８９ 年生，工程师，硕士，研究方向：微波天线技术。
— ３９ —
雷达与对抗 ２０１９ 年 第 １ 期
图 １ 缝隙幅度分布
假定线阵的末端吸收功率是已知的，则根据线源
的幅度分布和天线效率可以计算出不同缝隙对应的电
导分布。 缝隙电导与线源幅度分布的关系为［４］
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎ Ｘ⁃ｂａｎｄ ｌｏｗ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｌｏｔ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ
ＪＩＡＮ Ｌｉｎｇ， ＳＨＩ Ｌｅｉ， ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ⁃ｐｅｎｇ （ Ｎｏ．７２４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１５３） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ Ｘ⁃ｂａｎｄ ｎａｒｒｏｗ⁃ｅｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｌｏｔ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒ⁃ ｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｔｈｅ Ｓ２１ ｏｆ ｔｈｅ ｓｌｏｔｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ， ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｓｌｏｔ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｌｏｔ ａｒｒａｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｔａｙｌｏｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｅｎｄ⁃ｆｅｄ ｃｏａｘｉａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｕｉｌｔ⁃ｉｎ ａｂ⁃ ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ． Ｔｈｅ ｌｉｎｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｆｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂａｃｋ ｓｃｒｅｗｓ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｎｏ ｆｉｘｅｄ ｂｌｏｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ． Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ＶＳＷＲ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ １．２ ａｔ ｔｈｅ ｂａｎｄ⁃ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ８％ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ＳＬＬ ｉｎ ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ ｐｌａｎｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ －３２ ｄＢ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ； ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｌｏｔ； ＶＳＷＲ ｓｉｄｅｌｏｂｅ

波导缝隙天线原理与仿真

波导缝隙天线原理与仿真

DCWTechnology Study技术研究0 引言随着电子设备技术的发展，万物互联的概念逐步实现，将所有家用的、工业的、民用的、军用的电子电气设备通过互联网实现统一的控制，而万物互联实现基础是电磁场，电磁场的实现基础是天线。

我们熟知的大哥大使用的是单极天线，现在流行的5G 手机使用的是边框天线，老式电视机上使用的是八木天线等，而缝隙天线多用于雷达、通信、导航、电子对抗等普通人很少接触的设备上，因此我们很少在日常生活中见到缝隙天线。

1 缝隙天线的类型缝隙天线是一种在导体板上开凿特定尺寸的缝隙形成的天线，导体板可以是展开的也可以是闭合的，闭合的方式主要有矩形波导、圆形波导、谐振腔等，对于平面导体板可以采用同轴线的馈电方式，对于闭合的导体板即可以采用同轴线馈电方式，也可以采用波导激励馈电方式，闭合的导体板的开槽方式多种多样，有横向、纵向、斜向等。

缝隙天线如图1所示。

波导缝隙天线作为缝隙天线的一种，具有结构简单耐用、易于安装、馈电方便等特点，其天线参数性能也很出色，能够实现高增益、控制主瓣倾角、超低副瓣，副瓣电平甚至可达到-30 dB 以下。

因此，波导缝隙天线非常适合具有流线型外形的高速飞行器，融合度比较高，如机载雷达、导航设备、通信设备等。

波导缝隙天线原理与仿真刘 建1，原 觉1，刘 巍1，李 强2（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.工业和信息化部机关服务局，北京 100804）摘要：文章讨论了缝隙天线的特点、结构、激励方式、原理等，通过讨论缝隙周围电场和电流分布，分析缝隙天线的辐射原理。

使用HFSS仿真软件建立缝隙天线的模型，计算电场及电流分布情况，得到缝隙天线的基本参数，验证缝隙天线原理的分析结论。

关键词：缝隙天线；电偶极子；波导管；电磁仿真doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.08.020中图分类号：TN 82，TN 98 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2023）08-0061-04Principle and Simulation of Waveguide Slot AntennaLIU Jian 1, YUAN Jue 1, LIU Wei 1, LI Qiang 2(1.The State Radio_monitoring_center Testing Center, Beijing 100041, China; 2.Department ServiceBureau of the Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100804, China)Abstract: This paper discusses the characteristics, structure, excitation method, principle, etc. of slot antenna, and analyzes the radiation principle of slot antenna by discussing the distribution of electric field and current around the slot. The HFSS simulation software is used to build the slot antenna model, calculate the electric field and current distribution, obtain the basic parameters of the slot antenna, and verify the analysis conclusion of the slot antenna principle.Key words: slot antenna; electric dipole; waveguide; electromagnetic simulation作者简介：刘 建（1985-），男，汉族，山东人，中级工程师，硕士，研究方向为通信与网络。

X波段缝隙波导天线阵列综合设计

X波段缝隙波导天线阵列综合设计

X波段缝隙波导天线阵列综合设计发布时间：2022-05-13T08:53:10.651Z 来源：《科技新时代》2022年3期作者：宋军林琦[导读] 实现了低幅瓣电平、40°余割平方宽波束维相位加权的缝隙波导阵列天线设计，为其他缝隙波导天线阵列综合设计提供参考。

贵州航天南海科技有限责任公司贵州省遵义市563000摘要：本论文立足于某雷达研制的应用背景，该雷达发射采用方位机扫+俯仰相扫体制，方位上通过泰勒加权优化缝隙波导，实现低幅瓣电平，俯仰上通过基于遗传算法优化加权，形成赋形波束（0～40°），接收采用BDF多波束形成。

本论文结合任务指标需求，采用AnsoftHFSS、CST、Matlab天线仿真软件，验证了波导建模和天线阵列赋形仿真，实现了低幅瓣电平、40°余割平方宽波束维相位加权的缝隙波导阵列天线设计，为其他缝隙波导天线阵列综合设计提供参考。

关键词：波导缝隙天线泰勒加权遗传算法波束赋形1 引言波导缝隙天线是从上世纪四十年代开始出现和发展起来的，现在已被广泛地应用于微波通信和雷达系统中。

它的优点在于阵列馈电系统与辐射系统合一，天线整体厚度很小。

而且波导缝隙可以用数控机床精密加工，波导本身就是低损耗馈电系统，所以可以精确的控制口面幅度和相位分布，容易构成高增益、低副瓣的天线。

在许多应用中需要阵列天线方向图形成指定波束以达到所需的要求，越来越多的人开始重视它的综合和设计的研究。

天线波束赋形有多种不同的方法，但对于相控阵天线来说，采用只改变馈电相位分布的仅相位加权方法可使其不改变原有功率分配馈电网络和不增加新设备的情况下，利用计算机控制移相器值的改变实现波束赋形，是非常经济的可行方法。

2 缝隙波导天线设计2.1 理论设计天线形式为裂缝波导阵列，波导为BJ100标准铝波导，波导窄边并联缝隙，行距，每行波导缝隙间距按照经验公式且上下边频对应的波导波长均满足该公式，取dx=18.5mm，采用泰勒分布。

X波段波导窄边裂缝天线设计

X波段波导窄边裂缝天线设计

0 引言
用BJ100标准波导。
波导窄边裂缝天线由许多开在矩形波导壁上的
（2）确定缝隙间距。设缝隙间距为d，天线最
近似半波缝隙组成，主要优点是口径分布易控制，
大辐射方向与天线法向的夹角为θ。根据指标要去
易于实现低旁瓣电平，效率高，结构紧凑，加工与
工作频率，选定矩形波导型号，计算出自由空间工
安装便捷。已经在多个领域获得了广泛的应用。 1 工作原理
2Φ0.5＝L×λ/(n×d)
（2）
式中，Φ0.5：波束宽度；L：对于泰勒分布取
67，均匀分布取51；λ：自由空间波长；n：缝隙个
基金项目：西安工程大学横向项目（2019KJ—173）。 作者简介：武永刚，航天恒星空间技术应用有限公司，工程师，硕士，研究方向：通信技术。 收稿日期：2021-03-26，修回日期：2021-04-12。
中图分类号：TN820.15 文章编号：1674-2583(2021)05-0018-02 DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2021.05.007 中文引用格式：武永刚，薛蒲昌，谢亮亮，王俊博.X波段波导窄边裂缝天线设计[J].集成电路应用,2021, 38(05): 18-19.
作波长λ0和导内波长λg。选定θ的值后，由缝隙 间距d和θ角的关系如式（1）。
在主模传输的矩形波导内，当波导裂缝切断波 导壁上的电流线时就会有能量耦合出来[1,2]。裂缝与 波导耦合的强弱是裂缝在电流线垂直方向投影的长 度、裂缝中心处的电流密度、裂缝的尺寸、波导横 向尺寸，波导壁厚及工作频率的函数[3]。
Design of X-band Waveguide Narrow Edge Slot Antenna
WU Yonggang, XUE Puchang, XIE Liangliang, WANG Junbo ( Aerospace Star Space Technology Application Co., Ltd., Shaanxi 710077, China. )

一种X波段波导宽边缝隙天线的设计方法

一种X波段波导宽边缝隙天线的设计方法
包立琦
【期刊名称】《兰州石化职业技术学院学报》
【年(卷),期】2022(22)1
【摘要】波导裂缝天线的设计方法多种多样,设计思路也不尽相同。

介绍了一种新的波导裂缝天线的设计思路,该设计思路简单明了,绕开了传统裂缝天线复杂的计算模式;实践表明,该设计思路简单,当天线辐射缝较少时,用该方法设计的平板裂缝天线方向图辐射性能强,用该方法设计加工的天线产品测试也满足实际使用要求。

【总页数】4页(P10-13)
【关键词】波导缝隙天线;偏置计算;方向图;耦合波导;辐射波导
【作者】包立琦
【作者单位】甘肃长风电子科技有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN823.24
【相关文献】
1.一种两维单脉冲波导宽边缝隙阵设计的新方法
2.毫米波段非谐振型低副瓣波导缝隙天线的改进型设计方法
3.一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真
4.一种双波段双极化波导裂缝天线的设计方法
5.一种Ku波段波导旋转关节的设计方法
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一种新型缝隙天线阵的设计


置 的电 流 线，因此 通 过 控 制 裂 缝 的 位 置 以 及 缝 隙 的 取向可 以
有 效 地 控 制 该 天 线 的 辐 射 强度 以 及 辐 射 方向。
波导 缝隙天 线的馈电方 式 分为端 馈、中馈等多种形式，
终端可以短 路或 者开路。缝隙间距为d 0=λg/2 时，波导腔内 的 场呈 驻 波 状 态，该 天 线 称 为 驻 波 阵。
中图分类号：TN822
文献标识码：A
文章编号：1674-098X(2018)03(b)-0086-02
通信系统对 终端天线的性能要求越来越高，波导缝隙天 线以其 高增益、高 效率、低副 瓣、功 率容量 大 等 特点备 受 青 睐，这使 其 在机 载、舰 载、气 象 以 及雷达 等 系统中获 得了广 泛 的应 用。
本文利用HFS S仿真 软件建模设 计了一种新型波导 缝隙 阵天 线，采用切比雪夫计算方法 结合M at l ab 进行程 序设 计 对 缝隙的分布位 置 进行 优化，设 计 的 缝隙 天 线 阵 具 有 高增 益、低 驻 波、低 副 瓣 等 性 能，同 时 改 变 缝 隙 的 形 式，使 其 表 面 电流 发生改变，能够 得到不同指向的阵列天线。在线阵的基 础 上 进 行 纵 向 排 阵，可 以 进 一 步 降 低 波 瓣 宽 度、提 高 方向增 益，此 种 形式 的平面 阵列天 线能 够 很 好地 应 用在雷达等 通 信系统中。
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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
工业技术
科技创新导报 2018 NO.08
Science and Technology Innovation Herald
程 序，设 置工作 频率为12.5GH z，副瓣电平-2 8 d B，缝隙个 数为12，采用Che b y s he v分布进行计算后得到的缝隙偏 移 量，并在HFS S软件中建立模型。采用BJ140金属波导作为介 质，其宽边尺寸为19.05m m，窄边尺寸为9.5m m，在波导宽 边 开 缝，馈电 点 距离 第一 个 缝 隙中心 的 距离为λg / 2 ，模 型 如 图1所 示。

X波段波导缝隙天线设计的开题报告

X波段波导缝隙天线设计的开题报告
一、选题背景
波导隙缝天线是一种重要的宽带天线设计，因其具有低剖面，宽带特性和易于制造等优点，成为目前广大研究关注的焦点之一。

当天线发射频率所处范围在毫米波、微波甚至太赫兹波段时，其宽带特性尤为突出，使得该天线设计在多项应用场景得到了广泛的应用。

二、研究目的与意义
本项目的主要目的是设计一种X波段波导隙缝天线，使其在频率覆盖范围内具有较高的增益和宽带特性。

该研究有以下几点意义：
1.丰富和完善天线设计理论，提高天线设计水平。

2.可广泛推广到工业生产中，为无线通信和雷达探测等领域提供优质的天线设计方案。

三、研究方案
1.通过HFSS（高频模拟仿真软件）完成波导隙缝天线的设计。

2.于仿真软件中设置正交矩形腔体以及挖空的隙缝，调整波导隙缝天线的宽度、长度、高度等参数，从而获得较好的波导隙缝天线性能。

3.在满足带宽和增益等要求的前提下，进一步确定最佳结构参数，如隙缝的长度，宽度和天线的高度等。

4.对设计的波导隙缝天线进行实验验证，分析和比对仿真和实验结果。

四、研究预期结果
通过设计研究，预期可以得到一种基于波导隙缝的天线结构，其具有X波段频率范围内较好的增益和宽带特性，同时满足工业生产中的可
制造性和稳定性要求。

同时，通过仿真和实验的比对，可以验证设计的准确性，并进一步推动波导隙缝天线的研究和应用。

一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真_李高升

LI Gao-sheng , L U Z hong-hao , L IU Feng , H E Jian-guo
(Co lle ge o f Electronic Science and Enginee ring , Na tio na l Universi ty of Def ense Technolog y , Changsha 410073, C hina)
1 天线辐射阵面设计
1 .1 天线口径相关参数计算 首先根据天线的波束宽度和副瓣电平要求计算口
收稿日期 :2010-07-13 基金项目 :武器装备预研基金(9140A 04020310KG 0112 ,
9140A 31020609K G 0170)
径尺寸 D , 然后把 D 代入增益 G 公式 , 看是否满足增益 要求 ;最后根据增益和波束宽度 , 对天线口径进行修正 , 使其同时符合两者要求[ 3-4] 。
利用上述仿真的魔t结构构建如图5所示和差网络仿真结果如图6所示波导缝隙平板阵列天线以其突出的性能指标得到广泛关注但由于其设计复杂影响因素多且加工工艺要求高要想实现工程应用需要多方面的努力810图7给出了和波束方向图仿真结果图8给出了天线几何模型及差波束方向图三维仿真结果
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
关键词 :波导缝隙天线 ;低副瓣 ;辐射缝隙 ;和差器 中图分类号 :T N957 .2-34 文献标识码 :A 文章编号 :1004-373X(2010)21-0005-04
Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band
-2t) λg
1 .3 辐射阵面设计
(7)
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《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
李高升 , 卢中昊 , 刘 锋 , 何建国
(国防科学技术大学 电子科学与工程学院 , 湖南 长沙 410073)
摘 要 :给出了波导缝隙天线设计步 骤 , 设计一种 X 波段波导 缝隙天线 , 计 算了天 线口径 、波导 数量 、缝隙的 单元数 量 、 宽度 、位置等参数 , 设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔 T 和差器 , 在此基础 上完成 了天线 设计 。 仿真 结果表 明 , 当 中心频 率为 12 G Hz 时 , 和波束增益为 28 .9 dB, 第 一副瓣电平为 -22 .2 dB, 所设计的天线形式可获得较好的和 、差波束方向图 、电压驻波 比和增益等参数 。
Abstract :T he pro cedures fo r desig ning a w aveg uide ape rture antenna ar e presented .A waveg uide ape rture antenna w o rking in X-band is desig ned .T he ape rture of antenna , number o f wav eg uide, and parameter s of aper ture including number , width and locatio n a re ca lculated.A w ide-a rm co upling reso na nt aper ture magic T comparato r w ith ha lf-heigh t wav eguide is desig ned , based o n w hich the design of the antenna is finished.Simula tion results indicate tha t gain of the sum beam is 28.9 dB and the fir st side lo be is -22 .2 dB at 12 G H z.T he antenna ca n attain go od parame ter s such as sum and subtract pa tte rn , voltage stand wave ratio and gain.
Keywords:wav eguide aper ture ante nna ;low side lobe ;r adiation slo t ;compara tor
0 引 言
随着信息化水平的提高和无线电技术的发展 , 对高 效率 、低副瓣天线的需求日渐强烈 , 特别是弹载 、机载搜 索和跟踪天线 , 由于早年常用的抛物面天线固有的口径 遮挡 , 难以在这两方面有大幅度提高 , 不能满足日益增 长的需求 。
表 1所示 。
表 1 单缝部分计算结果
偏置 /m m 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0
宽臂耦合谐振缝魔 T 在结构 、加工 、调匹配等方面
2 .686 05 3 .033 71 3 .426 62 3 .033 71 2 .631 28 3 .102 77 3 .402 81 3 .102 77 2 .621 76 3 .252 79 3 .295 65 3 .252 79 2 .490 79 3 .495 68 3 .307 56 3 .495 68 2 .652 71 3 .709 99 3 .228 98 3 .709 99 3 .602 83 3 .674 27 3 .609 97 3 .674 27 计算缝隙在不同偏置条件下的谐振长度 , 结果如
-2t) λg
1 .3 辐射阵面设计
(7)
子阵面辐射中心选在离阵面中心为(0 .3 ～ 0 .4)R
的范围内 , 接近 45°角斜方向上的那个缝隙位置 。 辐射 中心的缝隙场强是子阵面中最强的 。计算场分布时 , 将
辐射中心位置定为坐标原点 。
子阵的辐射中心定为原点 , 距原点最远的缝的距离
为半径 aa , 根据场强分布曲线 , 求出每条缝隙对应的场
= σβ0
λ D
(4)
5
无线通信
李高升等 :一种 X 波段波导缝隙天线的设计与仿真
阵面直径确定后 , 根据波导尺寸计算阵面波导数 。 阵面圆心为扇面的公共点 , 波导的排列相对阵面中心对 称 。 半个阵面上平行放置的波导数为 :
n
≤
2(a
D +2t)
(5)
式中 :a 为波导宽边内尺寸 ;t 为波导壁厚 。 1 .2 阵面缝隙单元数计算
为使波导魔 T 端口匹配 ,四个支臂的交接处要安装匹 配装置 , 如金属膜片、圆杆, 选择尺寸 、位置, 使反射波与接
头处不连续性造成的反射波抵消 , 实现匹配 。在弹载 、星
载情况下 , 对体积 、重量要求高 ,一般采用折叠魔 T 。 折叠魔 T 匹配调谐困难 , 且调谐部分结构较复杂 ,
加工要求高 。耦合谐振波导魔 T 利用波导宽臂上开的耦 合谐振缝实现 E 臂功能 , 简化了结构 , 以便有利于加工 。 当 T E10主模从 E 臂输入时 , 耦合缝切割 E 臂波导的内表 面电流 , 形成小的辐射口径面 , 将 E 臂中的能量耦合到下 面的波导中 。由于耦合缝位于 H 臂中轴线 , 不能在 H 臂 中激励起 TE10 模 , 从而实现 E , H 两臂隔离 。
强值 , 确定其偏离 波导中心线的位置 。 圆口径泰勒场
分布[ 2] :
∑n-1
f (p)=
m =0
[FJmJ0(0μ(mμπm)p])2 ,
p
= πρ aa
式中 :
(8)
1 , m =0
F(m)=
∏∏ -J (μπ) 0 m
n -1 n =1
1-
μm zn
2
n -1
为保证各馈电缝隙落在阵面上各波导中心 , 令馈电 波导的波导波长为阵面上辐射波导宽边外尺寸的 2 倍 , 即 λ′g =2(a +2t)。
为形成单脉冲天线波束 , 采用 4 根独立的馈电波导
《现代电子技术》2010 年第 21 期总第 332 期
通信与信息技术
分别对子阵馈电 。
根据阵面上各波导所需的能量分配关系 , 确定功率
单脉冲天线的口径一般分成四个象限 , 每个象限构 成一个独立的子阵 , 每个子阵是 90°的扇形 , 无法 实现 理想的泰勒分布 , 因此设计时要留出适当的余量 。最大 副瓣电平为 R0 , 天线主瓣峰值电平与最大副瓣电平的 电压比值为 :
η=
-R0
10 10
选择泰勒圆口径分布 , 波束宽度因子为 :
辐射缝隙开在波导宽壁上 , 为纵向并联缝隙 。 为保
证谐振条件 , 各缝隙应同相 , 这要求交叉位于波导中心
线两侧的相邻缝隙间距 d =λg/ 2 , λg 为波导波长 。
采用谐振缝隙阵 , 第一条和最末一条缝隙在距中心
为 λg/ 4 处短路 。长度为 l i 的波导 , 缝隙数为 :
ni
≤
2(li
1-
n =1(n ≠m)
μm μn
2
; ,1 ≤m ≤n -1
μm 为 J1 (πx)的第 m 个根 ;zn =±σ[ A2 +(n -0.5)2 ] 1/2 。 一旦阵面的口径场分布曲线确定 , 阵面上各缝隙的
电导值也就确定了 。平板缝隙阵主要通过控制阵面上
各缝隙的电导值来实现对阵面场分布特性的控制 。
j =1
j =1 i =1
(11)
在波导尺寸和工作波长给定后 , 可计算缝隙电阻对
应的偏角[ 5] 。
1 .6 和差器设计
和差网络可以是波导结构 , 也可以是带线结构 。波
导型和差网络由波导魔 T 组成 , 插损一般小于 1 .0 dB , 隔离优于 30 dB 。 带线和差网络由分支线定向耦合器 、 λ混合环 等构 成 , 插损 一般 为 1 .0 ～ 1 .5 dB , 隔 离约 20 dB 。
x 的关系 。因此 , 可根据对各缝隙所要求的电导值求出
偏离波导中心线的距离, 从而确定缝隙的横向位置 。
图 1是计算缝隙偏置的流程图 。
图 1 计算所有缝隙偏置的流程图
1 .5 馈电波导设计 馈电波导在辐射波导背面并与之正交 , 采用宽壁中
心倾斜串联缝隙 , 互耦影响小 。相邻馈电缝隙的偏角交 错相反 。 为实现同相馈电 , 缝隙间距取 λ′g / 2 。为保证波 导与缝隙匹配 , 在距最末一条缝隙 λ′g / 2 处短路 。
LI Gao-sheng , L U Z hong-hao , L IU Feng , H E Jian-guo
(Co lle ge o f Electronic Science and Enginee ring , Na tio na l Universi ty of Def ense Technolog y , Changsha 410073, C hina)
(1)
β0 =
(arcch η)2 - arcch η 2 2
波束展宽因子不仅与副瓣电平有关 , 而且与等副瓣 电平的副瓣数 n 有关[ 1] :
σ=
μn
A2 +(n -0 .5)2
式中 :A =arcosh η/π;μn 为第一类一阶贝塞尔函数的
第 n 个根 。天线的波束宽度为 :
2θ0 .5
导上第 j 条缝隙所对应的场强值 。对于纵向并联缝隙 ,
等效电导为 :
g(x)=2 .09
a b
λλg co s2
πλ 2λg
sin2
πx a
(1 0)
式中 :a , b 为波导宽 、窄边尺寸 ;λ为工作波长 ;x 为缝隙
中心与波导中心线之间的距离 。对于给定的 a 和b , 当工