波导平板裂缝天线阵的设计
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]。
波导平板裂缝天线阵的设计
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波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的研究和设计的开题报告
波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的研究和设计的开题报告一、选题背景在现代通信系统中，无线天线是最不可或缺的组成部分之一。
无线天线的设计和研究一直是无线通信技术领域中的一个热点，其重要性不言而喻。
本课题主要研究波导裂缝阵天线以及宽带微带天线的设计与应用，为无线通信技术的进一步发展做出贡献。
二、研究内容1.波导裂缝阵天线的研究和设计波导裂缝阵天线是指在波导板上开缝隙，形成一定的阵列结构，从而实现较大的功率传输和接收。
本课题将探究波导裂缝阵天线的设计和性能分析，包括阵列参数的选择，阵列损耗的优化等。
2.宽带微带天线的研究和设计宽带微带天线具有结构简单、重量轻、成本低等优点，并能够实现宽带频率响应，适用于移动通信系统等领域。
本课题将研究宽带微带天线的设计和性能分析，通过优化天线结构、改善辐射特性等手段，提高其性能和效率。
三、研究意义本课题的研究和设计，旨在提高无线通信系统的性能和效率，为通信领域的进一步发展做出贡献。
同时，本课题的研究成果还可以应用于雷达、导航等领域，具有广泛的应用前景。
四、研究方法本研究将采用理论分析和仿真验证相结合的方法，通过建立数值模型，对波导裂缝阵天线和宽带微带天线的特性进行分析和优化，从而获得最佳的性能和效率。
五、预期成果本课题的预期成果包括：波导裂缝阵天线和宽带微带天线的设计和性能分析；仿真模型的建立和验证；论文发表等。
六、总结本课题将对波导裂缝阵天线和宽带微带天线的设计和应用进行深入研究，旨在提高无线通信系统的性能和效率，为通信领域的进一步发展做出贡献。
同时，本课题的研究成果还将具有较广泛的应用前景。
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)。
波导缝隙阵列天线分析与设计的开题报告
波导缝隙阵列天线分析与设计的开题报告一、选题背景随着无线通信技术的发展和普及，天线作为无线通信系统的重要组成部分，其性能的优劣也越来越受到广泛关注。
在无线通信系统中，天线的产生的电磁波能量和天线自身内部的电磁波相互作用会对天线的性能产生一定的影响，因此设计高性能天线是无线通信系统发展中的重要问题之一。
波导缝隙阵列天线是一种常见的高性能天线结构，在国外已经得到了广泛的应用。
波导隙缝天线具有指向性好、高增益、广带宽、抗多径干扰等优点，在卫星通信、雷达测量、无线电视、定位导航等领域得到了广泛应用。
因此，深入研究波导隙缝天线的性能分析和设计方法具有重要意义。
二、研究内容本课题旨在采用电磁场仿真软件对波导隙缝天线进行分析和设计，并研究其性能指标的优化方法。
具体研究内容包括：1. 建立波导隙缝天线的几何模型并进行三维电磁场仿真；2. 分析波导隙缝天线的辐射特性和阻抗匹配特性；3. 优化波导隙缝天线的性能指标，如增益、带宽、方向图等；4. 设计并制作波导隙缝天线，进行实际测试，并与仿真结果进行对比分析。
三、研究意义通过对波导隙缝天线的性能分析和设计，可以提高天线的性能，适应不同通信系统的需求，为通信系统的发展提供支持。
同时，本课题的研究成果可以拓宽国内波导隙缝天线的应用领域和研究方向，提高国内无线通信技术的水平，推动我国相关产业的发展。
四、研究方法本课题采用电磁场仿真软件对波导隙缝天线进行分析和设计。
选用常用的电磁场仿真软件，如CST、Ansys等软件，对波导隙缝天线的电磁场进行三维仿真分析，获得天线的辐射特性和阻抗匹配特性。
在此基础上，通过对天线结构的参数设计，优化目标函数，达到提高性能指标的目的。
最后，根据优化结果设计波导隙缝天线，制作并进行实际测试，并与仿真结果进行对比分析。
五、预期成果1. 波导隙缝天线的三维电磁场仿真模型和分析结果；2. 波导隙缝天线的阻抗匹配电路设计和优化结果；3. 波导隙缝天线的性能指标优化结果，如增益、带宽、方向图等；4. 波导隙缝天线的实际测试结果和对比分析。
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真
实验八 波导缝隙阵天线的设计与仿真一、实验目的1.设计一个波导缝隙阵天线2.查看并分析波导缝隙阵天线的二、实验设备装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台三、实验原理波导缝隙阵具有口面效率高、副瓣电平低等优良的性能。
这里考虑宽边纵向谐振式驻波阵列，每个缝隙相距0.5λg ，距离波导宽边中心有一定偏移。
Stevenson 给出宽边上纵向并联缝隙的电导为()a x g g π21sin =()()g g b a g λλπλλ2cos 09.221=其中，x 为待求的偏移，a 为波导内壁宽边长度，λg 为波导波长。
在具体的设计中，可以利用HFSS 的优化功能来确定缝隙的谐振长度。
首先确定在谐振缝隙设计中存在的几个变量，主要有缝隙偏移波导中心线的距离Offset ，缝隙的长度L ，缝隙的宽度W 等。
一般可根据实际的加工确定出缝隙的宽度W ，应用HFSS 的优化功能得出缝隙的偏移量Offset 和缝隙长度Length 。
如图1所示，在波端口的Y 矩阵参数可以等效于距检测端口的1/2个波导波长的缝隙中心的Y 矩阵参数，根据波导缝隙的基本设计理论，在谐振时缝隙的等效阻抗或导纳为实数。
因此，当缝隙谐振时有Im(Y)=0。
单缝谐振长度优化示意图如下：设计一个由20个缝隙组成的缝隙阵，采用Chebyshev 电流分布，前10个缝的电平分布如下：n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a n0.33 0.29 0.39 0.50.62 0.73 0.83 0.91 0.971.0根据电平分布进行归一化：∑==101212n naK短路波端口可以得到K=0.100598。
由下式可以得到各个缝隙的导纳值:gn=Ka2n 各个缝隙的导纳如下：g_1=0.010955，g_2=0.00846 g_3=0.0153，g_4=0.0265 g_5=0.03867，g_6=0.0536 g_7=0.0693，g_8=0.0833 g_9=0.09465，g_10=0.100598选用WR -9型波导，其波导尺寸为：宽边a=22.86mm ，窄边b=10.16mm 。
波导缝隙平面阵列
波导缝隙平面阵列
波导缝隙平面阵列是一种常用的天线类型，它由多个波导缝隙单元组成，排列在平面上，可以实现宽带、高增益和方向性较好的辐射特性。
波导缝隙平面阵列的基本结构是由金属板和介质板构成的波导，波导内开有一定宽度的缝隙，形成了缝隙辐射天线单元。
多个天线单元通过平面阵列的排列形成了整个天线系统。
波导缝隙平面阵列的优点是具有较高的增益和较好的方向性，同时还具备宽带性能。
其工作频率范围可以覆盖多个频段，因此在实际应用中具有广泛的用途，如通信、雷达、导航、卫星通信等领域。
在设计波导缝隙平面阵列时，需要考虑到其天线单元的几何结构、缝隙宽度、介质板厚度和相邻天线单元之间的距离等因素，以达到最佳的辐射性能和工作频率范围。
总之，波导缝隙平面阵列是一种非常实用的天线类型，其优异的性能和广泛的应用领域使其成为了现代通信技术中不可或缺的一部分。
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波导缝隙阵列天线的改进设计
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图 １天线辐射 阵面 的子 阵划分
图 ２ 中频 Ｅ面 方 向图
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关键词 ： 导缝隙 ； 瓣电平； 化 波 副 ４ ｇ
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波导平板裂缝天线阵的设计金剑,万笑梅,汪伟,金谋平(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230031) 摘 要:利用商业软件HFSS的S参数仿真结果,采用等效网络法对矩形波导宽边纵缝进行互耦环境下的导纳计算;并利用天线远场幅度、相位方向图仿真结果,采用口径场反演方法,对阵中辐射缝参数进行修正。
通过设计实例,验证了该方法非常适合于平板裂缝天线阵的设计,有效地提高了设计效率。
关键词:波导;缝隙天线阵;天线阵设计;有源导纳中图分类号:TN823+.24;TN957.2 文献标识码:A 文章编号:167222337(2007)0320232204 Design of Planar Waveguide Slotted Antenna ArraysJ IN Jian,WAN Xiao2mei,WAN G Wei,J IN Mou2ping(N o.38Research I nstit ute of C E T C,Hef ei230031,Chi na) Abstract: The active admittance of a rectangular waveguide longitudinal slot is determined using the S parameter simulation results of commercial software HFSS and the equivalent network method in that the internal and external mutual couplings are taken into account.The aperture distribution is determined using re2deducing method and antenna simulative amplitude/phase patterns obtained by software HFSS,and the radiating slot dimensions are modified,thus good radiation patterns are ing the proposed meth2 od,planar waveguide slotted arrays can be designed easily and economically.K ey w ords: waveguide;slotted antenna array;antenna array design;active admittance1 引言 波导平板裂缝天线具有效率高、体积小、重量轻、结构紧凑,易获得高增益、低副瓣等特点,在雷达和微波通信系统中获得了广泛的应用。
对于平板缝隙阵,互耦影响较大,故计算辐射缝隙电导时必须考虑内部互耦和外部互耦。
在实际天线设计中,确定波导缝隙有源导纳的方法主要有两种,即实验测量和理论计算[124]。
前者是先加工相同偏置、相同缝长的一组小阵,再测量其S参数来求缝的导纳。
该方法加工测试量很大、周期长并且成本高;后者一般采用Elliott提出的有源导纳设计方法进行数值计算或采用等效磁流片法分析,采用矩量法求解。
该方法考虑互耦的计算比较繁复。
商业软件的迅速发展,使通过仿真精确计算辐射缝隙自导纳和有源导纳成为可能[526]。
另外,由于辐射缝隙受馈电缝、短路板的影响[7],以及边缘辐射缝的影响,导纳将发生改变,造成口径场的幅相分布恶化,进而影响天线的辐射性能。
本文给出一种利用H FSS仿真结合传输矩阵法确定波导缝隙有源导纳值,并通过仿真的远场幅度相位方向图数据反演天线的口径场,在此基础上对辐射缝进行修正。
该方法的使用,可实现平板裂缝天线阵的设计一次成功,极大地提高了设计效率。
2 导纳的计算 小阵由若干根线源组成,每根线源上有N个相同偏置、相同缝长的纵缝,如图1所示。
这样求得的缝电导既考虑了内部互耦,又考虑了外部互耦,并且缝的长度可以方便地进行调节,省去了实验件的加工。
小阵规模的选取原则是算出的导纳误差满足设计需要。
采用Ansoft HFSS等商业软第3期2007年6月 雷达科学与技术R a d a r S c i e nc e a nd Te c hnology Vol.5No.3J une2007收稿日期:2006207216;修回日期:2006209222基金项目:国防预研项目件,可以精确地仿真得到该模型开缝波导的S参数。
图1 小阵的仿真模型对于单根线源而言,其等效电路如图2所示。
这样,可以利用网络T 参数的级联来等效N 个缝隙的总网络参数,从而将网络简化为一简单的二端口网络,其传输矩阵为T d =e j βd 00e -j βd y i =1+y i /2y i /2-y i /21-y i /2T g =(T l 13y i )N3T l 2 πS 11S 12S 21S 22=T 12/T 21-(T 12T 21/T 22)1/T 22-T 21/T 22Γin =b 1a 1=S 11+S 12S 21Γl1-S 22Γl(1)式中,d =l 1,l 2,N 为缝隙个数,Γin 为小阵仿真的反射系数,Γl =-1,Y i 为所求的缝导纳。
其S 参数可利用软件仿真求得。
通过Matlab 编程,利用牛顿法求解上式,可得到有源导纳曲线。
图2 线阵模型的等效电路图3给出了一Ku 波段缝隙导纳的计算结果。
改变缝的偏置和缝长,重复以上步骤便可计算出一组导纳值,并拟合出谐振电导、谐振长度与偏置量的关系曲线,如图4所示。
3 天线阵孔径修正 具体设计天线阵时,要根据技术要求,综合考虑副瓣、波瓣宽度和增益诸因素,进行天线口径的加权。
根据拟合的谐振电导、谐振长度与偏置量的曲线,进行插值,即可求得所需的偏置和缝长的设计参数,进而设计出整个天线阵。
拟合的两条曲线是辐射缝在理想阵互耦环境下的结果,而实际阵列中辐射缝受耦合缝和短路板3322007年第3期金剑:波导平板裂缝天线阵的设计的影响,导纳会发生改变,影响口径场的幅相分布,使天线副瓣抬高。
因此,必须对辐射缝进行修正。
文献[7]从理论上分析了短路板对导纳的影响,认为是引入了一个负虚数,使缝隙失谐,而电导差别不大,因此,只需增加缝长即可。
而馈电缝对辐射缝的影响的理论分析比较复杂。
经设计、分析和验证,裂缝导纳的改变可以等效为天线口径分布的变化,因此可以通过天线阵的口径场分布结果来修正辐射缝的偏置和电导。
天线阵的口径场可由H FSS 软件导出的远场幅度相位曲线反演求得:E (θ)=∑Mk =1am p 3exp (i 3phase )3exp [-j (k -1)2πd λsinθ]3cos θ(2)式中,θ一般为 θ=sin -1(λg 2d)4 设计实例 设计了一Ku 波段18×12波导宽边纵缝驻波平面阵。
其天线水平面、垂直面均按-28dB Tay 2lor 分布进行幅度加权。
为展宽带宽,面阵采用分块馈电方式。
根据以上方法计算得到如表1所示的幅度加权和电导值。
表1 阵列的幅度加权和电导值单元序号垂直面加权水平面加权垂直面电导值水平面电导值1234567890.45430.62060.88651.16261.37941.49660.44180.51970.66040.83911.02841.20431.34941.45201.50490.030050.056050.114350.196700.276900.325950.07330.10140.16380.26440.39710.18970.23820.27580.2963 经初步仿真设计,并由方向图幅相数据反演孔径分布,得到如图5所示的修正前的口径场的幅度和相位分布。
从反演结果看,其幅度和相位呈现明显的周期性变化,即短路板附近和耦合馈电缝附近的辐射缝受到影响,产生与天线自身周期性结构有关的一种变化。
以理想分布为目标,通过多次修正辐射缝隙的尺寸和偏置量,可以得到满意的方向图。
图6是修正后的孔径场幅相分布,其中心主要辐射单元的带内幅相与理论值相比,幅度误差小于0.4dB ,相位误差小于15°。
432 雷达科学与技术第5卷第3期5 测试结果 天线试验件如图7所示。
图8则给出了其两个主面的方向图测试曲线。
由图可以看出,在中频其副瓣优于-25.8dB ,在边频达到-22.3dB 。
中频副瓣与理论值仅差2.2dB ,边频稍差,此系波导谐振阵自身特性所致。
6 结论 本文采用商业软件HFSS 和等效网络法计算了互耦环境下宽边纵缝阵列的导纳,并采用口径场反演的方法来修正短路板、馈电缝对辐射缝的影响。
该设计方法在天线设计中取得了良好的效果。
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