单脊波导缝隙阵天线的研究与设计

单脊波导缝隙阵天线的研究与设计吴琼;陈小强【摘要】缝隙波导具有频带宽、口面效率高等特点，根据道尔夫-切比雪夫口径分布法，用 MATLAB 软件编程对单脊波导缝隙天线阵列辐射缝隙参数进行计算，设计了一个8缝隙单脊波导缝隙阵天线，并利用三维电磁仿真软件 HFSS 对天线缝隙的参数进行优化，对天线的带宽特性进行了仿真研究。

结果表明，单脊缝隙波导的尺寸参数对带宽有影响，相对于矩形缝隙波导，单脊缝隙波导驻波带宽有较大幅度的展宽，研究结果可为缝隙脊波导在通信与雷达天线方面的应用提供参考。

%Slot waveguide is characteristic of wide frequency band and high aperture efficiency.This paper calculates the radia-tion slot parameters of the single-ridge waveguide slot antenna array using MATLAB software programming according to Ad-olf-Chebyshev aperture distribution method and designs an 8-slot single-ridge waveguide slot array antenna.Furthermore,it optimizes the gap parameters and simulates the bandwidth characteristics of the antenna using the three-dimensional electro-magnetic simulation software HFSS.The results indicate that the size parameters of the single-ridge waveguide slot affects the bandwidth and relative to the rectangular slot waveguide,the VSWR bandwidth of the single-ridge slot is substantially broad-ened,which provide a valuable reference for the applications of slot ridge waveguides in communications and radar antennas.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】3页(P65-67)【关键词】单脊波导;缝隙天线;缝隙参数;带宽【作者】吴琼;陈小强【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TN8200 引言波导缝隙阵因具有口面效率高、副瓣电平低以及口径分布容易控制等优点而得到了广泛的应用，特别是在雷达和通信领域的运用越来越多［1］。

而缝隙波导在这些领域的应用都是以宽频带作为基础的，被广泛用作雷达引导系统的矩形波导缝隙阵天线则是制约宽频带雷达的一个关键部件，其相对带宽约为3%，如何有效地增大波导缝隙阵的带宽，受到了越来越多的研究者的关注。

由于凸缘电容的作用，脊波导中TE10 波的截止波长比矩形波导中TE10波的截止波长更长，因此在同样横截面尺寸的情况下，脊波导单模工作的频带更宽，也就是说，在同样频带的情况下，脊波导横截面的尺寸更小，一般为矩形波导的7/10 左右。

缝隙脊波导相对于矩形波导具有更好的传输特性和更宽的工作频带［2］。

脊波导的传输特性比矩形波导好，工作频带更宽。

本文作者用MATLAB 软件进行编程，提取缝隙的相关参数，并用三维电磁仿真软件HFSS 对8缝隙单脊波导缝隙阵天线进行建模仿真，研究了单脊波导缝隙阵天线的特性。

1 理论分析1.1 单脊波导波长的计算波导波长λg 的计算公式如下:图1 单脊波导截面尺寸图式中，λc 为截止波长，λ 为天线的工作波长。

由式(1) 可知，要计算单脊波导的波导波长，需要知道传输TE10 所对应的截止波长，而单脊波导截止波长的计算较为复杂( 矩形波导截止波长为宽边的两倍) 。

单脊波导横截面的尺寸参数如图1 所示，可据此计算出单脊波导的截止频率fc 和截止波长λc［3］。

具体算法如下:取h = ( b -d) /b，则单脊波导单位长度的电容为电感值为将式(2) 和式(3) 代入下式，可分别计算得到截止频率fc 和截止波长λc:式中，ε 为脊波导中介质的介电常数，μ 为脊波导中介质的磁导率。

1.2 单脊波导缝隙结构驻波阵列的单脊波导缝隙阵天线的结构如图2所示，缝隙间距为半个波导波长λg/2，距离波导宽边中心有一定的偏移量x，采用端口馈电方式，另一端做短路处理［4］。

文中设计的单脊波导缝隙阵天线工作频率为35 GHz，脊波导的尺寸如下: a =7.112 mm，b/a = 0.5，s/a = 0.3，d/b = 0.4。

天线的工作波长λ = 8.571 mm。

由式(5) 计算得到λc = 15.466 mm，于是得到波导波长λg = 10.4 mm。

图2 单脊波导缝隙天线结构图2 辐射缝隙参数的计算对8 缝隙的单脊波导缝隙阵天线的缝隙参数进行计算。

采用道尔夫－切比雪夫口径分布法，取主副瓣电平比R0 = 30 dB，用MATLAB 软件进行编程计算，分别得到天线阵列口径归一化电平的分布和电平值如图3 和表1 所示。

图3 天线口径归一化电平分布表1 归一化电平值a编号 a 编号a 1 0.026 8 2 0.200 0 3 0.600 0 4 1.000 0 5 1.000 0 6 0.600 0 7 0.200 0 8 0.026 8计算得到缝隙的归一化电平后，令第n 个缝隙的电平值为an，则有式中，N 为缝隙的总个数，K 是系数。

文中采用端口馈电方式，取c =1，由式(6) 算得K = 0.273 4。

再由下式计算每个辐射缝隙的导纳值:天线缝隙阵的导纳分布和导纳值分别如图4 和表2所示。

图4 天线缝隙阵的导纳分布表2 缝隙阵的导纳值g编号 g/s 编号 g/s 1 0.000 2 2 0.010 9 3 0.098 4 4 0.273 4 5 0.273 4 6 0.098 4 7 0.010 9 8 0.0002天线缝隙的导纳值与缝隙的偏置距离之间存在着对应关系，可由缝隙的导纳分布计算出每个辐射缝隙相对于波导宽边中心线的偏置距离x。

式中，a 和b 分别为波导的长和宽，λ 和λg 分别为波导的工作波长和波导波长，x 是缝隙的偏移量。

计算得到的缝隙偏置距离分布和每个缝隙的偏置距离分别如图5 和表3 所示。

图5 缝隙偏置距离分布表3 每个缝隙的偏置距离x编号 x/ mm 编号 x/mm 1 0.026 5 2 0.185 4 3 0.561 3 4 0.953 8 5 0.953 8 6 0.561 3 7 0.185 4 8 0.026 5由图3、图4 和图5 可知，缝隙偏置距离的分布与导纳分布和电平分布基本一致。

在求得缝隙的偏置距离后，就可以建模对波导的特性进行仿真研究。

3 仿真分析在求得各个缝隙的偏移量后，利用HFSS 的参数优化功能，取缝隙宽度和长度分别为0. 4 和5.2 mm，建立模型进行仿真，模型如图6 所示。

图6 单脊缝隙波导天线的仿真模型仿真结果如图7 所示。

图7 为8 单元单脊波导缝隙阵天线的回波损耗图，从图中可以看出，在34.1 ～36.24 GHz 之间，回波损耗＜－10 dB，天线的驻波带宽约为2.14 GHz。

与文献［5］中的8 缝隙矩形波导阵相比，驻波带宽展宽了26.5%左右。

与文献［6］中类似的单脊波导缝隙阵天线相比，带宽有了较大的改善。

可见，选择合理的单脊波导结构尺寸参数，可以使单脊波导缝隙阵获得更好的驻波带宽特性。

图7 天线回波损耗图4 结束语本文在分析单脊波导特性的基础上，选择合理的脊波导尺寸参数，用MATLAB 软件编程对8 缝隙单脊波导缝隙阵天线的辐射缝隙参数进行了计算，利用HFSS 软件的优化功能和强大的仿真能力对8缝隙单脊波导缝隙阵天线进行了建模仿真。

仿真结果表明，本文设计的单脊波导缝隙阵天线相对于矩形波导缝隙阵天线，带宽有了明显的展宽，选择合理的单脊波导结构参数，对扩展单脊波导缝隙阵的带宽有很大的意义。

参考文献：［1］孔令宽. CBTC 系统缝隙波导信号传输性能的研究［D］.北京:北京交通大学，2010.［2］Wang Wei ，Zhong Shun -Shi . A Broadband Slotted Ridge Waveguide Antenna Array［J］. IEEE Transactions on antennas and propagation，2006，54(8) :2416-2420.［3］闫润卿，李英惠.微波技术基础［M］.北京: 北京理工大学出版社，2004.78-130.［4］谢拥军，王鹏，李磊，等. Ansoft HFSS 基础应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.［5］盛月月，高文军，雷宏，等. 波导缝隙阵列天线设计［J］. 电子与信息学报，2005，27(8) :1342-1344.［6］张亚飞，吕晓德. 一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法［J］.中国科学院研究生院学报，2006，23( 1) :60-63.。