波导柱面共形缝隙阵天线方向图优化设计

图3 均匀分布（20单元，全向点源）

图4 泰勒分布（20单元，-25dB，全向点源）

所以，必须考虑单个缝隙的辐射方向图特性。根据波导尺寸与工作频率，利用电磁仿真软件HFSS仿真出单个缝隙的归一化辐射方向图，以此作为拟合数据得到，代入公式（1）中，得到拟合的方向图如下所示。

图5 缝隙单元仿真方向图

从图6、7可以看出，交叉极化分量将在某个角度消除方向图的零深、引起旁瓣电平抬高，同时，后瓣电平较高。

图6 均匀分布（20单元，方向性点源）

图7 泰勒分布（20单元，-25dB，方向性点源）

下面，我们将以Ku波段的某一型号天线为例，把方向图综合设计结果与仿真结果、测试结果进行对比分析。

4 Ku频段天线方向图的综合设计、仿真与测试

Ku频段某一个波导柱面共形缝隙阵列天线，由辐射层、馈电层两层构成，其参数如下所示：

单元数目（辐射层）： 34*12；

中心工作频率： 15GHz；

辐射波导尺寸： 14mm*6.4mm；

耦合波导尺寸： 12.631mm*6.4mm；

只考虑共形面的方形图，且不给出夹角Φ的推导过程直接给出其值。这样，辐射波导的波导波长为28.5774mm，耦合波导的波导波长为32.7382mm。那么，其对应的夹角Φ为3.2031⁰。根据前面的结果，代入单个缝隙的辐射方向图，得到综合方向图如图10所示。同时，给出HFSS仿真的方向图与天线实测的方向图，如图11、图12所示。

图8 共形波导缝隙阵列主视图

图9 共形波导缝隙阵列侧视图

图10 综合方向图（共形面）

图11 HFSS仿真方向图（共形面）

图12 天线样件测试方向图（共形面）

从上三图可见，方向图综合设计、仿真与测试结果比较一致。交叉极化电平都在80⁰左右。交叉极化电平与副瓣电平相当，这是由于辐射波导与耦合波导的尺寸所致。高的交叉极化电平，不仅会使增益降低、造成不必要的能量浪费，也不利于实现低旁瓣，这在共形面天线设计中，特别是在低旁瓣要求中必须避免。

重新研究公式(1)可以看出，可以通过两种方法可以降低交叉极化分量：

① 相位加权方法。其优点是交叉极化分量不受辐射波导、耦合波导窄边与波导壁厚的限制，但是这样必须设计优化理论，比较困难。

② 减小角度Φ的方法。角度Φ越小，交叉电平分量越低。其优点是不用复杂的优化设计理论，但同时其受辐射波导、耦合波导窄边与波导壁厚的限制，后瓣电平较高。

给出选择不同的辐射波导、耦合波导的尺寸相对应的夹角关系，同时给出其对应的方向图。

表1 辐射波导、耦合波导与夹角对应关系

图13中，a、b、c、d、e五条曲线代表着表1所示的波导尺寸对应形成的方向图。

图13 不同辐射波导、耦合波导尺寸对应的辐射方向图

可见，小的角度Φ将抑制交叉极化电平，大的角度Φ将导致严重的交叉极化分量。而角度Φ由辐射波导、耦合波导、功分网络层波导的尺寸的选择确定，故波导尺寸的选择，是形成良好方向图的前提。

5 结论

本文针对波导柱面共形缝隙阵天线的方向图优化问题，提出了针对波导缝隙阵列的具体结构形式，通过仿真提取得到单个缝隙的有源方向图，最终综合得到共形面的方向图。探讨了共形面方向图的交叉极化电平的抑制方法，并以Ku频段的波导柱面共形缝隙阵天线为例，通过对比方向图的综合设计、仿真与测试数据，证明了本文提出的方形图优化设计的有效性，在工程设计中有重要的指导作用。