引言

　　波導(dǎo)縫隙天線要求在水平面內(nèi)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(zhàn)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(dǎo)縫隙天線是一種重要的微波天線，在通信和雷達系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。然而,，隨著波導(dǎo)縫隙數(shù)目的增加,，單純依靠仿真軟件或是數(shù)值方法，在普通PC機上都很難進行分析,。因此,，對大型波導(dǎo)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(dǎo)納矩陣(GAM),，圍繞大型波導(dǎo)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(jīng)典理論,，建立了以波導(dǎo)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(nèi)外兩個區(qū)域,。對于天線內(nèi)部區(qū)域，提出了行波狀態(tài)利諧振狀態(tài)兩種情況下波導(dǎo)縫隙天線內(nèi)部區(qū)域廣義導(dǎo)納參數(shù)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(dǎo)納參數(shù)數(shù)據(jù)庫,，實現(xiàn)了縫隙天線內(nèi)部區(qū)域GAM的級聯(lián)，得到了廣義輸入導(dǎo)納等主要參數(shù),，與HFSS仿真結(jié)果吻合良好,。

　　1 理論分析

　　1.1 串聯(lián)縫隙陣的模型

　　由波導(dǎo)內(nèi)的場分布情況可知：當(dāng)波導(dǎo)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(cè)發(fā)生跳變,，即電壓跳變，故相當(dāng)于在傳輸線上串聯(lián)了一個阻抗,。對中心饋電的諧振線陣模型來說,，假設(shè)波導(dǎo)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(dǎo)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。

　　其等效電路如圖2所示,。

　　圖中所示均為歸一化的等效電阻,。

　　1.2 縫隙特性參數(shù)的分析

　　在天線工作頻率的選取上，本雷達系統(tǒng)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(dāng)u=2mπ,，m=O，±1,，…時,，S取最大值，且m=0時為主瓣,。為了實現(xiàn)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(quán)各縫隙,，兩邊呈對稱分布,，其方向圖零點位置由下式?jīng)Q定：

 　　將后一項按多項式展開，Z的各次冪系數(shù)即為相對應(yīng)的激勵幅度,。

　　由圖2,，當(dāng)波導(dǎo)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(yīng)的歸一化電阻值,，在本設(shè)計中N取4。

　　A.F.STevensON利用洛倫茲互易定理及波導(dǎo)中功率的平衡方程,，得到了串聯(lián)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(dǎo)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(yīng)的縫隙偏角,。

　　1.3 影響天線性能的因素

　　應(yīng)用以上所計算出來的結(jié)果來進行天線的設(shè)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(lián)縫隙與縱向縫隙相比,，由于其角度偏轉(zhuǎn)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(jié)果也證實了這一點,，而這是我們在設(shè)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(shè)計中,，采用在每個縫隙上方加一個小波導(dǎo)口的辦法，小波導(dǎo)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(shè)計波導(dǎo)縫隙天線的過程中,，設(shè)計中的數(shù)值仿真都是在CST時域求解器的環(huán)境中完成的。

　　2.1 天線模型的建立

　　輻射波導(dǎo)選用的尺寸是22.86×10.16mm，縫一側(cè)的波導(dǎo)壁厚1mm,，縫寬為2mm,，波導(dǎo)兩端為理想短路面;截止波導(dǎo)16×8mm。建立模型,，其框架圖如圖3所示：

　　其中黑色標記處為同軸線中心饋電點;輻射口上方的方形材料為天線罩;從左到右縫隙的編號依次為1～4,。

　　2.2 仿真結(jié)果分析

　　仿真中將縫長l和傾角β設(shè)置成變量，l的初始值取λ/2,，利用CST的參數(shù)掃描功能,，對縫隙長度和傾角進行掃描。通過設(shè)置合理的步長,，能夠加快掃描進度,，減少計算時間。由于本設(shè)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(dǎo)的連接處產(chǎn)生反射，影響天線的性能,。根據(jù)λ/4阻抗變換的原理，在仿真中通過改變同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針的長度來進行匹配,，觀察端口模式當(dāng)同軸線輸入阻抗為50 Ω時即認為達到了所需的效果,，經(jīng)過仿真得到同軸線內(nèi)導(dǎo)體探針長度為8.5mm。并在此基礎(chǔ)上仿真得到縫隙的參數(shù)如下：

從仿真結(jié)果中可以很明顯看出,，中心頻率處駐波比達到了非常理想的效果,，在駐波比為2以下的帶寬大約為400MHz，其結(jié)果符合設(shè)計要求;其H面方向圖(即天線架裝后的水平方向圖)波束寬度達到了寬角度探測的要求;E面方向圖也達到了指標要求,，不足之處在于其副瓣電平還不是非常理想,，這主要是由于為了滿足波束寬度的需要而采用縫隙數(shù)較少的緣故，但其損失在可接受的范圍內(nèi),。

　　3 結(jié)束語

　　通過仿真分析,，其各項性能參數(shù)都達到了規(guī)定的指標要求。由于體積小,、穩(wěn)定性好,、能夠滿足實際應(yīng)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,。