一种X 波段波导缝隙天线的设计与仿真

　　随着信息化水平的提高和无线电技术的发展， 对高效率、低副瓣天线的需求日渐强烈， 特别是弹载、机载搜索和跟踪天线， 由于早年常用的抛物面天线固有的口径遮挡， 难以在这两方面有大幅度提高， 不能满足日益增长的需求。

　　波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性， 可调整和优化的参数多， 较易实现高效率、超低副瓣和高增益， 还具有承受功率高， 结构紧凑等优点， 得到了广泛的研究和应用。

　　波导缝隙平板阵列天线主要由辐射阵面、馈电波导及和差器等三部分组成， 本文对此分别进行了阐述， 计算了天线口径相关参数， 设计了和差器和馈电网络， 并对设计结果进行了仿真计算。

　　1 天线辐射阵面设计

　　1. 1 天线口径相关参数计算

　　首先根据天线的波束宽度和副瓣电平要求计算口径尺寸D， 然后把D 代入增益G 公式， 看是否满足增益要求；最后根据增益和波束宽度， 对天线口径进行修正，使其同时符合两者要求。

　　单脉冲天线的口径一般分成四个象限， 每个象限构成一个独立的子阵， 每个子阵是90°的扇形， 无法实现理想的泰勒分布， 因此设计时要留出适当的余量。最大副瓣电平为R0 ， 天线主瓣峰值电平与最大副瓣电平的电压比值为：

　　选择泰勒圆口径分布， 波束宽度因子为:

（2）

　　波束展宽因子不仅与副瓣电平有关， 而且与等副瓣电平的副瓣数有关:

（3）

　　式中: A = arcosh η/ π;为第一类一阶贝塞尔函数的第n 个根。天线的波束宽度为:

　　阵面直径确定后， 根据波导尺寸计算阵面波导数。

　　阵面圆心为扇面的公共点， 波导的排列相对阵面中心对称。半个阵面上平行放置的波导数为:

　　式中: a 为波导宽边内尺寸; t 为波导壁厚。

　　1. 2 阵面缝隙单元数计算

　　对于圆形阵列天线， 组成阵面的波导长度各不相同。进行阵面设计时， 先对各根波导容许的极限长度做出计算， 以考虑每根波导上缝隙的数量。从中心算起，每根波导的极限长度为:

　　式中: l i 代表由中心算起第i 根波导的长度， i = 1， 2，……， r 为阵面半径。

　　辐射缝隙开在波导宽壁上， 为纵向并联缝隙。为保证谐振条件， 各缝隙应同相， 这要求交叉位于波导中心线两侧的相邻缝隙间距d =λ g / 2， λg 为波导波长。

　　采用谐振缝隙阵， 第一条和最末一条缝隙在距中心为λg / 4 处短路。长度为li 的波导， 缝隙数为:

　　1. 3 辐射阵面设计

　　子阵面辐射中心选在离阵面中心为( 0. 3~ 0. 4) R的范围内， 接近45角斜方向上的那个缝隙位置。辐射中心的缝隙场强是子阵面中最强的。计算场分布时， 将辐射中心位置定为坐标原点。

　　子阵的辐射中心定为原点， 距原点最远的缝的距离为半径aa， 根据场强分布曲线， 求出每条缝隙对应的场强值， 确定其偏离波导中心线的位置。圆口径泰勒场分布:

　　式中:

　　μm 为J1 (πx ) 的第m 个根; z n= ±σ [ A²+ ( n- 0.5) ² ] ^1/2。

　　一旦阵面的口径场分布曲线确定， 阵面上各缝隙的电导值也就确定了。平板缝隙阵主要通过控制阵面上各缝隙的电导值来实现对阵面场分布特性的控制。

　　1. 4 辐射缝隙参数确定

　　为使每根辐射波导与自由空间良好匹配， 应使。其中， G ij 表示第i 根波导上第j 条缝隙的电导值。可根据对阵面上各缝隙所要求的场强值求其归一化电导值:

　　式中: f ij 是由给定的口径场分布曲线求出的第i 根波导上第j 条缝隙所对应的场强值。对于纵向并联缝隙，等效电导为:

　　式中: a， b 为波导宽、窄边尺寸; .为工作波长; x 为缝隙中心与波导中心线之间的距离。对于给定的a 和b ， 当工作波长确定后， 可计算缝隙的等效电导g 与横向偏移量x 的关系。因此， 可根据对各缝隙所要求的电导值求出偏离波导中心线的距离， 从而确定缝隙的横向位置。

　　图1是计算缝隙偏置的流程图。

图1 计算所有缝隙偏置的流程图

　　1. 5 馈电波导设计

　　馈电波导在辐射波导背面并与之正交， 采用宽壁中心倾斜串联缝隙， 互耦影响小。相邻馈电缝隙的偏角交错相反。为实现同相馈电， 缝隙间距取λ‘g / 2。为保证波导与缝隙匹配， 在距最末一条缝隙λ’g / 2 处短路。

　　为保证各馈电缝隙落在阵面上各波导中心， 令馈电波导的波导波长为阵面上辐射波导宽边外尺寸的2 倍，即λ‘g = 2( a+ 2t ) 。

　　为形成单脉冲天线波束， 采用4 根独立的馈电波导分别对子阵馈电。

　　根据阵面上各波导所需的能量分配关系， 确定功率分配系数。对于第j 根波导， 功率分配系数为Cj =其中， f i 表示第j 根波导上第i 条缝隙的相对场强。根据功率分配系数Cj， 确定对应的缝隙等效电阻rj :

　　在波导尺寸和工作波长给定后， 可计算缝隙电阻对应的偏角。

　　1. 6 和差器设计

和差网络可以是波导结构， 也可以是带线结构。波导