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引言 波導縫隙天線具有口面場分布容易控制，沒有能量漏失、天線口徑效率高、性能穩定、結構簡單緊湊、強度高、安裝方便、抗風力強等優點，而且容易實現窄波束、賦形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波導縫隙天線已經成為新型雷達中天線的優選形式，被廣泛應用于雷達和通訊領域。該天線要求在水平面內具有寬波束的特點，能夠覆蓋比較寬的范圍，從而更有效地提高車輛的戰場生存能力。天線需要滿足的性能指標如下：a.增益：大于11dB；b.3dB波束寬度：E面為20°，H面為110°；c.副瓣電平：小于-13dB；d.駐波比：小于2。 波導縫隙天線是一種重要的微波天線，在通信和雷達系統中獲得了廣泛的應用。然而，隨著波導縫隙數目的增加，單純依靠仿真軟件或是數值方法，在普通PC機上都很難進行分析。因此，對大型波導縫隙天線快速高效的分析計算成為工程上的迫切需要。本文基于廣義導納矩陣（GAM），圍繞大型波導縫隙天線的快速分析展開了研究：本文首先采用模式匹配的經典理論，建立了以波導縫隙天線裂縫所在平面法線方向為參考方向的分析模型，將天線分成內外兩個區域。對于天線內部區域，提出了行波狀態利諧振狀態兩種情況下波導縫隙天線內部區域廣義導納參數的快速提取方案，建立了具有廣泛適用性的天線單元廣義導納參數數據庫，實現了縫隙天線內部區域GAM的級聯，得到了廣義輸入導納等主要參數，與HFSS仿真結果吻合良好。 1 理論分析 1.1 串聯縫隙陣的模型 由波導內的場分布情況可知：當波導寬邊中心開斜縫時，窄縫在縱向不切割電流線；在縫的橫向由于對電場的擾動，使得總電場在縫的兩側發生跳變，即電壓跳變，故相當于在傳輸線上串聯了一個阻抗。對中心饋電的諧振線陣模型來說，假設波導壁上開有Ⅳ爪斜縫，縫與縫中心間距λg／2，為取得同相激勵，相鄰縫交叉傾斜放置，波導末端短路板距終端縫隙λg／2，以使縫隙中心處于電壓或電流最大值位置，線陣模型如圖1所示。 
1.2 縫隙特性參數的分析 在天線工作頻率的選取上，本雷達系統的工作頻率為10.5GHz，故該天線的工作頻率為10.5GHz，，對于陣列中各單元以等間距位于直線上的線陣，其陣列因子可表示為：
其中An為激勵的幅度，θ為觀察方向與直線的夾角，d為陣元間距。由于諧振陣各單元是同相的，即φn=O，則上式可簡化為：
當u=2mπ，m=O，±1，…時，S取最大值，且m=0時為主瓣。為了實現低副瓣并使主瓣展寬，采用中心饋電從陣中到邊緣幅度遞減，按泰勒線源分布加權各縫隙，兩邊呈對稱分布，其方向圖零點位置由下式決定：
將后一項按多項式展開，Z的各次冪系數即為相對應的激勵幅度。 由圖2，當波導采用中心饋電并處于諧振的時候（其阻抗虛部為零），對泰勒分布而言，則有：
將之前得到的每個縫隙的激勵幅度代入即可求得相應的歸一化電阻值，在本設計中N取4。 A.F.STevensON利用洛倫茲互易定理及波導中功率的平衡方程，得到了串聯縫隙的歸一化等效電阻表示式為：
其中β表示縫隙中心線與波導寬邊中心線之間的夾角，α為寬壁的長度，b為窄壁的長度。將之前求得的rn代入并求解方程可得到對應的縫隙偏角。 1.3 影響天線性能的因素 應用以上所計算出來的結果來進行天線的設計，還必須考慮縫隙間的互耦問題；若不考慮互耦，將使天線口徑面的幅度分布和相位分布變壞，同時也將惡化天線的輸入端匹配。 串聯縫隙與縱向縫隙相比，由于其角度偏轉的原因，其交叉極化輻射要比縱向縫隙高，這會帶來副瓣電平的升高和增益的降低，仿真結果也證實了這一點，而這是我們在設計中所不希望看到的，需要采取措施抑制交叉極化輻射。在本設計中，采用在每個縫隙上方加一個小波導口的辦法，小波導的傳播方向垂直于縫隙所在的平面。 2 建模與仿真 本文在設計波導縫隙天線的過程中，設計中的數值仿真都是在CST時域求解器的環境中完成的。 2.1 天線模型的建立 輻射波導選用的尺寸是22.86×10.16mm，縫一側的波導壁厚1mm，縫寬為2mm，波導兩端為理想短路面；截止波導16×8mm。建立模型，其框架圖如圖3所示：
2.2 仿真結果分析 仿真中將縫長l和傾角β設置成變量，l的初始值取λ／2，利用CST的參數掃描功能，對縫隙長度和傾角進行掃描。通過設置合理的步長，能夠加快掃描進度，減少計算時間。由于本設計采用的是同軸線中心饋電，需要考慮阻抗匹配的問題，否則會在與波導的連接處產生反射，影響天線的性能。根據λ／4阻抗變換的原理，在仿真中通過改變同軸線內導體探針的長度來進行匹配，觀察端口模式當同軸線輸入阻抗為50 Ω時即認為達到了所需的效果，經過仿真得到同軸線內導體探針長度為8.5mm。并在此基礎上仿真得到縫隙的參數如下：
本文從應用目標的實際情況出發，利用波導寬邊中心斜縫的形式設計了一款小型四元線陣天線，通過仿真分析，其各項性能參數都達到了規定的指標要求。對于天線外部區域，建立了帶無限大導電板的波導縫隙陣列的分析模型，推導出表征波導縫隙天線外部區域各單元之間模式耦合的廣義導納參數的積分方程。并且由于體積小、穩定性好、能夠滿足實際應用的需要，在實際制作由于加工工藝等方面的原因會造成一定的誤差，需要嚴格控制加工誤差。 來源：電子工程網 |
