雷达裂缝天线的设计与仿真
用hfss设计波导裂缝驻波阵天线
应用HFSS9.0设计波导裂缝驻波阵天线范景云微波成像技术国家重点实验室 中国科学院电子学研究所 北京 100080摘要 传统的波导裂缝天线设计方法非常复杂，且天线研制周期长，本文借助高频结构分析软件HFSS9.0的优化功能给出了一种简便的矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵的设计流程，并进行了仿真。
仿真结果与理论计算结果基本符合，利用HFSS9.0进行辅助设计的方法可以大大缩短天线研制周期。
关键词 波导裂缝，驻波阵天线，HFSS，优化 一、 引 言在机载雷达天线中，波导裂缝天线阵是应用最广泛的形式之一。
波导裂缝天线容易实现口径面的幅度分布和相位分布，口径面的利用系数高，而且它可满足雷达系统对天线增益高、副瓣低、体积小、重量轻的要求，所以在机载雷达中获得了广泛应用。
在阵列天线的条件下，必须考虑裂缝间的互耦影响。
一般来说，在实际天线应用中，通过实验测量阵列之间的互耦误差较大，且实验工作量很大。
所以，非常有必要利用计算机仿真来部分代替常规的实验工作。
Ansoft-HFSS 软件采用有限元法（FEM ）解决三维电磁场问题，求出S 、Y 、Z 参数，还可以得到场的方向图。
矩形波导宽边纵向裂缝驻波阵列的应用比较广泛，但对于谐振长度的求解，一直没有给出明确的理论推导和计算公式。
本文给出分析设计流程，讨论了HFSS 在设计中的应用，尤其在求解谐振长度时的快速简便的方法，通过设计实例可以看出仿真结果与理论计算结果十分接近，验证了此方法的正确性。
二、 波导纵向裂缝驻波阵的设计右图为矩形波导宽边纵向裂缝阵天线的结构示意图。
图1 波导纵向裂缝阵天线结构示意图图中，a 为波导宽度，b 为波导高度，t 为波导壁厚，w 为裂缝宽度，d 为相邻裂缝间距，l 为裂缝长度，x 为裂缝相对波导宽边中心线的偏移量。
根据Elliott 设计裂缝天线阵的基本理论，波导纵向裂缝驻波阵天线可以等效为图2的传输线模型[1]：图2 波导纵向裂缝阵天线的传输线模型为了获得驻波阵列，将辐射波导的一端短路，相邻裂缝与短路板的距离为4/g λ[2]。
波导裂缝天线.
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Dissertation Submitted to
Dalian Maritime University
In partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Engineering
平板裂缝天线结构设计
平板裂缝天线结构设计洪 涛(中国电子科技集团第38研究所,安徽合肥230031)St ruct ure Design of t he Plate Slot Array AntennaH ONG T ao(No.38Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation ,Hefei 230031,China ) 摘要:针对平板裂缝天线的特点,介绍了该天线的结构设计思路,特别强调了应考虑结构设计的可制造性.通过设计实例,验证了Pro/E 三维软件非常适合于作为平板裂缝天线的设计平台,有效地提高了设计效率和设计质量.关键词:平板裂缝天线;结构设计;可制造性;Pro/E中图分类号:TN821文献标识码:B文章编号:1001-2257(2009)08-0076-02收稿日期:2009-02-27Abstract :In view of t he feat ure of t he plate slotted -array antenna ,t he paper int roduces t he st ruct ural design of t he antenna ,especially discus 2ses t he question t hat must be considered in t he manufact uring of t he struct ural design.U sing t he Pro/E software ,t he plate slotted -array antenna can be designed easily and finely.K ey w ords :plate slot -array antenna ;st ruct ur 2al design ;manufact uring ;Pro/E0 引言在雷达和微波通信系统中,平板裂缝天线获得了越来越广泛的应用.它具有效率高、天线增益高、副瓣低、体积小、重量轻、结构紧凑和薄壁高精度等特点.平板裂缝天线加工的工艺性和电性能好坏,与天线的结构设计有着密不可分的联系.因此提出了应用Pro/E 软件,一体化设计该天线的方法.1 结构设计某型雷达平板裂缝天线由12根宽边带辐射缝的辐射线源、馈电波导、功分网络和阶梯变换波导组成.辐射线源之间的公共壁厚1.5mm ,开有辐射缝的波导壁厚1mm.根据雷达的使用要求,该天线外形要尽可能小,重量尽可能轻,强度和刚度满足机载环境要求.根据电讯的要求,辐射缝、耦合缝和波导口径的精度要求高,天线辐射面的平面度均方根误差要小于0.2mm.平板裂缝天线结构上的显著特点是多层、空腔和薄壁,结构紧凑复杂,精度要求高.其结构设计首先是根据天线的工作状态和结构机械性能要求,结构可靠性要求,外形大小和设备组成,确定高度集成的一体化设计思想.其次,综合考虑精度、强度、刚度、可制造性和经济性的要求,选择满足要求的合适材料和准备采用的制造方法.然后根据前面的考虑,将天线从结构上分解成合适数量的零件.最后,用Pro/E 作为设计平台,进行工程设计.根据系统设计思路,在某型雷达平板裂缝天线的结构设计中,将天线分成5个薄壁、腔体零件,再焊接成形.天线的外形尺寸为400mm ×200mm ×50mm ,如图1所示.图1 平板裂缝天线2 可制造性平板裂缝天线结构复杂,目前国内通常以数控铣薄壁加工零件,装配后采用盐浴焊、真空钎焊整体焊接成形.针对某型雷达平板裂缝天线外形尺寸比・67・1机械与电子22009(8)较小,采用了高速切削加工技术加工平板裂缝天线的薄壁、腔体类零件,用定位销和工装装配定位夹紧后,真空钎焊整体焊接成形.2.1 材料的可加工性波导器件传统上用铜材和铝材加工制作,近年来随着技术的发展,也出现了用碳纤维复合材料制作的波导.机载雷达有一个非常重要的指标要求,就是天线体积小、重量轻,可用碳纤维复合材料和铝材制作平板裂缝天线.碳纤维复合材料的比强度、比刚度、热膨胀系数和抗疲劳能力等均优于铝合金.但是平板裂缝天线的结构非常复杂,精度要求很高,波导口径的精度一般为±0.03mm,用碳纤维复合材料制造技术难度大,工艺技术复杂,经济成本很高.由于L F21,LD31铝合金材料的固相线温度比其它铝合金高,比较适合高温的真空钎焊.LD31铝合金加工性能、抗腐蚀性能和导电性好,力学性能良好,热处理强化后,抗拉强度可由130MPa提高到220M Pa,屈服强度由50M Pa增至150M Pa[1]. L F21铝合金加工性能、抗腐蚀性能和导电性好,不能热处理强化,有较高的疲劳强度,热轧状态下最小抗拉强度为110M Pa.从工艺技术的难易程度、强度指标、重量指标和经济性等方面考虑,选用铝合金材料制造天线,工艺相对简单,经济性优于碳纤维复合材料.由于我所长期使用L F21铝合金材料从事生产加工和真空钎焊,积累了丰富的生产经验,再加上该型雷达天线尺寸不大,铝质天线的重量约600g,选用L F21铝合金完全满足强度要求.2.2 加工效率和精度控制某型雷达平板裂缝天线从结构上分成5层,每1层为1个薄壁、腔体零件.这些薄壁、腔体零件均采用厚铝板,用高速切削加工技术加工.高速切削加工的优点是:效率高、精度高、表面质量高及加工引起的变形较小.这些优点决定了它非常适合于加工薄壁、腔体类零件[2].这样加工出来的零件,波导口径精度高,表面质量好,平面度高.真空钎焊是为适应现代工业的需要而发展起的一种较新的钎焊方法,近年来,在各种微波器件中已逐渐开始应用.真空钎焊同盐浴钎焊相比,具有以下优点:无毒和无污染;接头具有优良的机械性能和抗腐蚀性能;在真空中加热,没有氧化问题;精度高;加热均匀,变形量小,可以做到焊后不修整.在确定了制造零件材料、加工技术和天线的焊接方法后,为便于切削加工,提高焊接质量和保证天线精度,零件结构设计时,还应考虑以下几个问题:a.天线分层形成零件时,要考虑真空钎焊的特点.天线焊接时,要水平放置,从上到下共5层.真空钎焊时,每层之间的焊接面放置焊片,焊接面要与地面水平,这样形成的焊缝质量才高.所以,在考虑天线分层形成零件时,要保证每层之间的分界面必须在一个水平面上.b.天线分层形成零件时,要考虑高速切削加工的特点.阶梯变换波导内腔内的台阶要与波导腔一起加工,加工好后,与盖板焊接在一起,形成阶梯变换波导.某型雷达系统由于整机安装的需要,要求天线的输出法兰面与辐射面平行.波导从水平状态转变为垂直状态的过渡处,有一个45°倾角,这个倾角要与波导腔一起加工.设计零件时,这样做可以使零件便于切削加工,焊接面保证在一个水平面上,焊缝质量好.c.零件设计时,要考虑真空钎焊加热过程中对天线精度的影响.为增强天线整体的强度和刚度,在第2层(从下往上数)辐射线源的盖板上有功分网络的支撑.为减轻重量,这个支撑的截面形状是个槽形,与第3层带有功分网络腔体的盖板就组成了个封闭腔.天线焊接时,封闭腔内的气体无法抽出.加热时,气体膨胀,影响焊接后的天线精度.所以,设计该零件时,要在槽形支撑的壁上开几处2～3mm宽的缺口.零件组装成天线准备焊接时,要保证天线内没有完全封闭的腔体.为了保证定位精度和控制焊接过程中的变形,将5个零件用定位销和工装装配定位夹紧.用真空钎焊的方法整体焊接成形后,除了铣去定位销和多余的材料外,辐射面不再加工.经测量,天线辐射面的平面度均方根误差小于0.2mm的指标要求.经电讯人员测试,天线电性能满足指标要求.所以,设计的结构应便于高速切削和真空钎焊,充分发挥这2种加工技术的优点,生产过程中再辅以必要的工装夹具,既可以保证平板裂缝天线的精度,又可提高加工效率.3 计算机辅助设计及仿真运用Pro/E[3]三维设计软件设计平板裂缝天线,・77・1机械与电子22009(8)具有以下优点:a.构建了结构设计人员和电讯设计人员共同交流的平台.由于平板裂缝天线的复杂性,电讯人员难以表述涉及电性能的天线内腔.对于结构的二维工程图,理解困难.天线的三维实体模型将结构的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来,双方易于交流.b.提高了设计效率.借助于Pro/E 的系统参数,可以随时计算天线的质量、重心和惯性大小等,减少了人工计算时间.天线的三维实体模型可以直接导入ANS YS 有限元分析软件,进行强度和刚度的分析,避免了重复建模的麻烦.c.提高了设计质量.由于构成平板裂缝天线的零件形状复杂、尺寸多,用三维建模,再生成二维工程图,提高了图纸的质量.在设计过程中需要更改时,只需更改三维模型,则二维工程图会随着变化,减少了人为改图时间,避免了人为错误.d.协助制造工程师自动生成零件加工刀具路径的NC 程序,避免人为编程疏漏,节约了时间.4 结束语平板裂缝天线结构型式多种多样,针对具体天线的结构型式,结构设计的可制造性,是平板裂缝天线结构设计需要考虑的重要问题之一.通常,机载雷达系统要求使用的平板裂缝天线体积小、重量轻、强度和刚度高,充分运用Pro/E 等计算机辅助设计和仿真技术,可以使平板裂缝天线设计更优化,对于设计效率和质量的提高,效果显著.参考文献:[1] 陈 敏,刘 捷.机载雷达平板裂缝天线的结构设计[J ].现代雷达,2002,24(3):77-79.[2] 汪方宝,梁 宁,鞠金山.平板裂缝天线制造技术研究[J ].电子机械工程,2004,20(4):41-44.[3] 钟建琳.Pro/Engineer2000i 零件造型实用教程[M ].北京:机械工业出版社,2001.作者简介:洪 涛 (1972-),男,安徽青阳人,工程师,主要从事雷达天馈系统结构设计工作.一种膨胀型阻尼消声器的设计王乃民1,王兆强2,张传涛1,娄雅琼1(1.海洋石油工程股份有限公司,天津300452;2.兰州理工大学流体传动与控制学院,甘肃兰州730050)Design of a Int umescence Damping Exhaust MufflerWANG N ai -min 1,WANG Zhao -qiang 2,ZHANG Chu an -tao 1,LOU Ya -qiong 1(1.Off shore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China ;2.College of Fluid Power and Control Engineering ,Lanzhou University of Technology ,Lanzhou 730050,China ) 摘要:介绍了以自行设计的气动打孔机为噪声源进行分析研究,采用加大阻尼和增大排气截面积来降低排气速度的方法,设计出膨胀型阻尼消声器.实验结果表明:采取上述降噪措施,噪声绝对值降低至20dB 左右,满足了工程应用要求.关键词:气动系统;噪声;膨胀型阻尼消声器;设计收稿日期:2009-03-04中图分类号:TB535.2文献标识码:B文章编号:1001-2257(2009)08-0078-03Abstract :This paper analyzed and researched on noise source of a self -designed p neumatic hole p unching machine ,adopt t he met hod of increasing damping and augmenting cross section to reduce t he exhaust rate ,artf ul designed int umescence damping exhaust muffler.The result s of experi 2ment s indicate t hat take above -mentioned de 2noise ,t he absolute value of noise was reduced by 20・87・1机械与电子22009(8)。
钻孔雷达定向天线仿真与设计
定向天线岩石环境仿真前向辐射波形
100
d=0.091 276
幅度/dB
0.02 0 0.011 624 0.02 0.04 0.064 283 36.201 40 43.472 1
50
56.352 60 t/ns
70
80
90
99.978
图4
定向天线岩石环境仿真后向辐射波形
仿真得到前向辐射波形如图 3所示，其峰峰(主 峰-副峰)值为0.52 V/m，其中主峰值0.30 V/m，负峰 值0.23 V/m。后向电场波形如图4所示， 其峰峰(主峰 -副峰)值为0.14 V/m，其中主峰值0.08 V/m，负峰值 0.06 V/m。天线辐射的前向后向电场波形峰峰值之 比为3.63。前向电场波形拖尾很小，仅为0.02 V/m， 远小于主峰值0.30 V/m的1/5。后向电场波形拖尾稍 大，为0.01 V/m，仍小于主峰值0.08 V/m的1/5。仿 真得到了天线在频率 120 MHz 的 E 方向图如图 5 所 示，其主瓣增益为5.4 dB，后瓣增益22.6 dB，前向 比后向增益大28 dB，E面半功率波瓣宽度为72.5° 。 仿真结果满足钻孔雷达定向天线设计要求。 为了验证定向天线的实际效果，将设计的定向 天线同全向天线做协同仿真，其中定向天线为接收 天线，全向偶极子天线为发射天线。激励脉冲及仿
[4]
收稿日期：2013 07 11; 修回日期：2014 05 15 基金项目：国家863项目(2013AA064603); 四川省科技厅应用基础项目(2013JY0003) 作者简介：赵青(1964 )，男，博士，主要从事雷达测井和电波传播等方面的研究.
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电 子 科 技 大 学 学 报
(1. 电子科技大学物理电子学院 成都 610054; 2. 中国石化西南石油工程有限公司测井分公司 成都 610100; 3. 中国石化华北石油工程公司 郑州 450006)
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。
波导缝隙阵仿真设计_毕业设计论文 精品
学校代码：_ 11059_学号：0905072010Hefei University毕业论文（设计）BACH ELOR DISSERTATION论文题目：__________波导缝隙阵仿真设计____ ____学位类别：工学学士学科专业：________________ 通信工程作者姓名：_______________ 马跃_____________ _________导师姓名：郑娟完成时间：_________ 2013-5-27_________ _波导缝隙阵仿真设计中文摘要缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。
波导裂缝阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。
波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。
经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的。
由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线。
本次设计要求为天线中心频率10GHz。
本设计通过理论计算和软件仿真实现相结合最终得出结果，最后结果从方向图可以看出该缝隙的增益达到19.05dB，且呈现笔形波束。
而第一副瓣约为-9.5dB，与主瓣相差28.55dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。
关键词：波导缝隙阵；阻抗；导纳；散射系数；HFSS；泰勒线源Design of Waveguide Slot Array SimulationABSTRACTThe slot antenna is the antenna consists of metal surface of the gap. Waveguide slot array antenna because of its small size, light weight, high aperture efficiency,large power capacity and easy to realize low sidelobe and ultra low sidelobe and other advantages, has been widely used in airborne fire control radar, missile seeker. Slot waveguide with the cutting position of different form the gap. Gap are often used in the inclined slot waveguide edge, opened in the longitudinal slot waveguide, the transverse slot and open to the inclined slot in the waveguide center line, they can be resonant, also can be the non resonant. Because of these gaps are cutting surface current, thus to outer space radiation energy, the slot number, location, size, arrangement of carefully selected, can produce a variety of antenna .The design requirements for the antenna center frequency 10GHz. This design through theoretical calculation and software simulation to achieve the combination of the final results, the final results from the direction of the gap can be seen that gain reaches 19.05dB, and presented a pencil beam. And the first sidelobe is about -9.5dB, and the main valve is about28.55dB, meet the waveguide slot array antenna used low sidelobe requirements.KEY WORD: waveguide slot array; impedance; admittance; scattering coefficient; HFSS; Taylor line source目录第一章前言 (1)1.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义 (1)1.2 波导缝隙阵研究的现状 (2)第二章波导缝隙阵天线概述 (4)2.1 天线简介 (4)2.2 波导缝隙阵概述 (5)2.3 波导裂缝阵天线的组成 (5)2.3.1辐射阵面 (5)2.3.2耦合波导 (6)2.3.3馈电波导 (6)2.4 缝隙类型 (7)2.4.1 缝隙类型简介 (7)2.4.2 宽边纵向半波谐振缝隙 (8)2.4.3 宽边横向半波谐振缝隙 (8)2.4.4 窄边斜半波谐振缝隙 (9)2.5 典型波导缝隙阵天线介绍 (9)2.5.1为开在宽壁上的横向谐振缝隙阵 (9)2.5.2 纵向谐振缝隙阵 (10)2.5.3 纵向谐振缝隙阵二 (10)2.5.4非谐振式缝隙阵 (11)2.5.5 匹配偏斜缝隙阵 (11)2.6 缝隙阵列天线参数确定 (12)2.6.1波导缝隙尺寸的确定 (12)2.6.2 波导尺寸和阵元间距的确定 (12)2.6.3泰勒线源近似 (13)2.6.4波导缝隙阵长及缝隙数目的确定 (14)2.6.5辐射缝隙的电导值的确定 (15)2.6.6缝隙偏移量的确定 (15)2.6.7 缝隙匹配的电导条件 (15)第三章技术实现 (16)3.1 软件简介 (16)3.2 天线的技术实现及大体结构 (16)3.2.1 设计原理 (16)3.2.2 HFSS软件的仿真实现 (18)第四章波导缝隙阵的仿真设计过程 (19)4.1 仿真过程 (19)4.1.1子工程1：给定缝隙偏移，优化缝隙的谐振长度 (19)4.1.2子工程2：所有缝隙的完整模型 (23)4.2 天线性能 (27)第五章结论 (28)参考文献 (29)致谢 (30)第一章前言1.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。
基于车载雷达系统的波导缝隙天线设计
基于车载雷达系统的波导缝隙天线设计O 引言波导缝隙天线自上世纪中叶以来有了很大的发展，广泛用于地面、舰载、机载、导航等各个领域。
由于缝隙阵列天线对天线口径面内的幅度分布容易控制，口径面利用率高，体积小，易于实现低或极低副瓣等特点，因而使其获得广泛使用。
在波导缝隙天线的研究方面，许多学者对缝隙天线理论和实验进行了大量基础性的研究工作，因而波导缝隙天线的理论越来越成熟。
本文所设计的就是基于车载雷达系统应用的一种小型波导缝隙天线。
该天线要求在水平面内具有宽波束的特点，能够覆盖比较宽的范围，从而更有效地提高车辆的战场生存能力。
天线需要满足的性能指标如下：a.增益：大于11dB;b.3dB波束宽度：E面为20°，H面为110°;c.副瓣电平：小于-13dB;d.驻波比驻波比：小于2。
为简化设计起见，本设计采用波导宽壁斜缝谐振阵的方式，切割的缝隙数为4个，达到了指标要求的效果。
1 理论分析1.1 串联缝隙阵的模型由波导内的场分布情况可知：当波导宽边中心开斜缝时，窄缝在纵向不切割电流线;在缝的横向由于对电场的扰动，使得总电场在缝的两侧发生跳变，即电压跳变，故相当于在传输线上串联了一个阻抗。
对中心馈电的谐振线阵线阵模型来说，假设波导壁上开有Ⅳ爪斜缝，缝与缝中心间距λg/2，为取得同相激励，相邻缝交叉倾斜放置，波导末端短路板距终端缝隙λg/2，以使缝隙中心处于电压或电流最大值位置，线阵模型。
其等效电路。
图中所示均为归一化的等效电阻。
1.2 缝隙特性参数的分析在天线工作频率工作频率的选取上，本雷达系统的工作频率为10.5GHz，故该天线的工作频率为10.5GHz,，对于阵列中各单元以等间距位于直线上的线阵，其阵列因子可表示为：其中An为激励的幅度，θ为观察方向与直线的夹角，d为阵元间距。
由于谐振阵各单元是同相的，即φn=O，则上式可简化为：当u=2mπ，m=O，±1，…时，S取最大值，且m=0时为主瓣。
某雷达天线轻量化缝隙波导模拟件设计
ｍｅ ａ ｎ ｓ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｅ ｃ ａ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｌ ｌ － ｓ ｉ ｚ ｅ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｑ ｕｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ａ ｖ ｅ ７ ５％ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｓ ｔ．
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Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐａ ｐ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｖ ｅ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ ｈ ａ ｓ ｂｅ ｅ ｎ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程
波导缝隙天线的设计仿真方案详细教程1. 引言波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。
高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。
使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。
利用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的操作，节约设计时间。
本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。
并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。
2.基本理论波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。
通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。
根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。
行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于g /2 ，驻波阵在距离终端g /4 处接短路滑块，单元间距均为g /2 ，本文设计的就是一个波导驻波阵天线。
2.1 波导缝隙天线理论分析波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。
Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。
图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。
归一化等效谐振电导为：。
一种波导裂缝阵列天线设计方法
一种波导裂缝阵列天线设计方法陈晓鹏;陈文俊;石磊【摘要】结合等效电路法和有源导纳法,将设计波导裂缝阵列天线的Elliott方程改写为两个方程组进行求解,利用归一化电导迭代求解两个方程组,得到裂缝参数,避免了直接求解二元非线性方程而产生的大量无用解.互耦系数gmn的计算采用Taylor级数展开式近似.用等效电路法与本文方法分别设计了64元驻波线阵,仿真结果表明,本文方法降到了天线副瓣.【期刊名称】《雷达与对抗》【年(卷),期】2013(033)004【总页数】4页(P39-42)【关键词】波导裂缝阵列;归一化电导;方程组;互耦【作者】陈晓鹏;陈文俊;石磊【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京210003;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京210003;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京210003【正文语种】中文【中图分类】TN820.150 引言波导裂缝阵列天线有结构紧凑、重量轻、口径利用率高、口径场分布容易控制等优点，在雷达和通信领域都得到了广泛的应用。
一般来说，波导裂缝阵列天线的设计首先根据需要达到的性能指标选择天线尺寸、裂缝形式、馈电方式和天线口径分布，然后确定裂缝参数。
根据波导壁开缝后引起波导壁纵向电流或横向电流的变化可将缝隙等效为并联导纳或串联阻抗［1］。
以此为理论基础，可应用等效电路法快速设计波导裂缝阵列天线。
但是，由于缝隙的等效参数在单缝情况下推导获得，裂缝阵列中各个裂缝之间的互耦会对设计的天线性能产生影响。
在计入互耦的设计方法中，一种是实验测量的方法［2］，一种是理论计算的方法［3］。
前者需要加工出许多试验件并进行测量，设计的复杂程度很高。
自Elliott 提出波导裂缝天线的有源导纳设计方法后，这一方法已经成为波导宽边纵缝阵列的主流设计方法。
这种方法从理论上计算出缝隙间的互耦项，迭代求解3个设计方程。
优越性在于不需要加工实验测试件，但是理论计算的工作量很大。
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大连海事大学毕业论文Array二○一二年六月船舶雷达裂缝天线的设计专业班级：通信工程4班姓名：潘明鹏指导教师：房少军信息科学技术学院摘要本文设计了一个宽边纵缝谐振式波导缝隙天线，并利用Ansoft公司研发的电磁仿真软件HFSS（high frequency structure simulate）进行仿真。
电磁仿真软件HFSS能给出波导缝隙天线的2D、3D模型和辐射方向图，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。
作为裂缝阵列天线的理论基础，从阵列天线的两个最基本原理：电磁波的干涉与叠加原理、方向图乘积定理出发，使我们对阵列天线有了更加清楚的认识，然后从对偶原理出发，分析了波导上单个缝隙的辐射机理和形式，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。
采用HFSS仿真设计该天线并进行了优化及仿真，仿真结果与理论计算结果基本符合。
关键词：波导缝隙天线；HFSS仿真；优化ABSTRACTThis paper presented a Slotted-waveguide Array antenna which is simulated using HFSS.HFSS is an electromagnetic simulate softw -ave which is invented by Ansoft .It can give the model of 2D、3D and directivity of this Slotted-waveguide Array Antenna. According to the requirement of directivity, this researcher designs the amplitude distribution of the apertures based on modified Chebyshev array,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. Then , Slotted- waveguide Array Antenna is simulated and optimized by using HFSS , the result of the simulation tallys with the result of theory calculate.Keywords: Slotted-waveguide array；HFSS simulation; optimization目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究的背景及意义 (1)1.1.1船舶裂缝天线的研究现状 (1)1.2单端馈电雷达裂缝天线的问题 (2)1.2.1脉冲宽度与天线长度 (2)1.2.2天线效率 (2)1.3 HFSS仿真软件的介绍 (2)1.3.1HFSS的特点和应用领域 (2)1.3.2 HFSS与其它软件的协同作用 (3)1.3.3HFSS软件的计算原理 (3)1.4论文的主要内容 (4)第2章理论基础 (5)2.1阵列天线的基本理论知识 (5)2.1.1电磁波的干涉和叠加原理 (5)2.1.2方向图乘积定理 (7)2.2 对偶原理 (9)2.2.1电偶极子与磁偶极子的对偶 (9)2.2.2电流元和磁流元的对偶性 (10)2.2.3对偶原理的建立 (11)2.3缝隙天线的辐射机理 (12)2.3.1理想缝隙天线的辐射机理 (12)2.3.2波导缝隙的阻抗特性 (13)2.3.3波导缝隙天线的开缝机理 (14)2.4波导缝隙天线阵及其特点 (15)2.5本章小结 (16)第3章裂缝阵列天线的设计 (17)3.1具体设计方案 (17)3.1.1波导缝隙阵列天线的总体设计思路 (17)3.1.2单个缝隙的波导缝隙阵列天线的设计与仿真 (19)3.1.3 20缝波导缝隙阵列天线的设计与仿真 (21)3.2仿真结果与分析 (23)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)船舶雷达裂缝天线的设计第1章绪论1.1 课题研究的背景及意义随着中国综合国力和国际地位的日益提升，海洋领土逐步受到国人的重视，中国对发展蓝海海军的建设目标已经提上日程，船舶雷达天线的研究受到了前所未有的重视，同时也对天线系统提出了更高的要求。
缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本。
因此成为了一种重要的天线形式。
波导裂缝阵天线的设计难度相当高。
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。
目前国际国内上也都在大力开展船舶雷达的研制工作，但技术尚未成熟，并考虑到其成本比较高，大角度扫描状态下很难实现低副瓣性能等实际困难，可以预见在今后相当长的时间内，裂缝阵天线仍将是船舶雷达天线的首选。
1.1.1船舶裂缝天线的研究现状波导裂缝天线设计中存在的技术问题多年来一直是微波天线领域中研究的热点。
国外在二十世纪四十年代末期就开始了波导裂缝天线的研究，经过多年的研究，缝隙阵列天线在理论和实践上都得到了巨大的发展。
Waston首先对波导裂缝和波导裂缝天线开展了研究和设计的尝试工作。
1948年Stevenson基于波导的等效传输线理论及波导格林函数，取缝隙长度λ/2（λ为工作波长），导出了各种形式缝隙的归一化电阻（电导）的计算公式。
随后Oliner利用变分公式，并且考虑了波导壁厚的影响，计算出了缝隙的阻抗（导纳）特性。
在70年代到90年代初期的二十多年里，计算机技术得到了极大的发展，计算机大大的提高了计算速度和存储容量使很多复杂的电磁场问题的计算结果更为精确，这也使得裂缝天线理论研究和工程技术得到了蓬勃发展。
T.Vu Khac、HungYuet、Josefsson等对波导宽边总想辐射裂缝采用矩量法进行分析。
具体方法如下，运用磁场连接性条件得到了两个积分方程在裂缝的上、下口径上，将厚度为t的裂缝视作一个腔体，分别建立波导、半自由空间、裂缝墙体的格林函数，然后用矩量法计算裂缝口径上电场眼裂缝长度方向的数值。
在忽略波导内缝隙间互耦和波导壁厚影响的前提下，R.S.Elliott 采用等效磁流片的方法导出解析表达式，但次表达式考虑了辐射裂缝间外互耦以及告辞模的影响，并将辐射裂缝的设计理论归结为三个方程。
Elliot等的卓越贡献，使得裂缝天线的理论研究和工程设计达到了较为成熟的阶段，他建立的理论被当今波导裂缝阵列天线设计者公认为主流设计方法。
1.2单端馈电雷达裂缝天线的问题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。
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。
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。
1.3 HFSS仿真软件的介绍HFSS广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域。
它具备仿真精度高，可靠性强，仿真速度快，稳定成熟的特点，其自适应网格剖分技术使HFSS 成为高频微波设计的首选工具盒行业标准。
利用HFSS工具可以高效地设计各种高频结构，包括射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互联结构、电真空器件，可用于研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。
1.3.1HFSS的特点和应用领域HFSS是利用我们所熟悉的Windows图形用户界面的一款高性能的全波电磁场（EM）段任意3D无源器件的模拟仿真软件。
HFSS具有以下特点：1.具有仿真、可视化、立体建模、自动控制的功能，使得3D EM问题能快速而准确地求解。
2.Ansoft HFSS使用有限元法（FEM）、自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维EM问题时得心应手。
3.Ansoft HFSS能用于诸如S参数、谐振频率和场等的参数计算。
4.HFSS是基于四面体网格元的交互式仿真系统。
这能解决任意的3D几何问题，尤其是那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其它技术。
1.3.2 HFSS与其它软件的协同作用为了便于提高设计与分析效率，HFSS强化了与CAD工具和其它分析工具之间的配合。
比如，在电磁场分析中需要分析对象的结构信息，通过读取由CAD生成的结构信息模型，提高易用性的功能。
此外CAD模型有时会出现微小的断差和坐标误差。
HFSS 10新增了一种功能，即使存在这些情况，也能将其分割成最佳的微小网格后，进行电磁场分析。
另一点就是：HFSS 10与Slwave v3进行协作分析的示例，能够看到车身内部的印刷电路板产生的不必要辐射活动情况。
Ansoft HFSS在PC机（Windows系统）上能够利用3GB的内存空间，这极有效地拓展了HFSS仿真计算能力。