一种X 波段波导缝隙天线的设计与仿真

型和差网络由波导魔T 组成， 插损一般小于1. 0 dB，隔离优于30 dB。带线和差网络由分支线定向耦合器、?混合环等构成， 插损一般为1. 0~ 1. 5 dB， 隔离约20 dB。

　　为使波导魔T 端口匹配， 四个支臂的交接处要安装匹配装置， 如金属膜片、圆杆， 选择尺寸、位置， 使反射波与接头处不连续性造成的反射波抵消， 实现匹配。在弹载、星载情况下， 对体积、重量要求高， 一般采用折叠魔T。

　　折叠魔T 匹配调谐困难， 且调谐部分结构较复杂，加工要求高。耦合谐振波导魔T 利用波导宽臂上开的耦合谐振缝实现E 臂功能， 简化了结构， 以便有利于加工。

　　当TE10主模从E 臂输入时， 耦合缝切割E 臂波导的内表面电流， 形成小的辐射口径面， 将E 臂中的能量耦合到下面的波导中。由于耦合缝位于H 臂中轴线， 不能在H 臂中激励起TE10模， 从而实现E， H 两臂隔离。

　　宽臂耦合谐振缝魔T 在结构、加工、调匹配等方面具有优势， 且隔离度、功率平分性、匹配性能与折叠魔T相当， 具有应用优势。

　　2 天线参数计算

　　设中心频率为12 GHz， 标准波导BJ120 内边尺寸为19. 05 mm ) 9.52 mm。为压缩体积， 使用半高波导，这样辐射波导尺寸为19.05 mm ) 4.76 mm， 壁厚t=0! 5 mm。当两根波导并在一起时， 公共壁厚为1 mm，将a 和t 代入式( 5) ， 可得最大的整数n= 6， 因此波导数N = 12。由式( 6 ) 计算可得各根波导长度为( 138.557 mm， 134.134 mm， 12*20 mm， 114.752 mm，97.724 mm， 71.609 mm) 。

　　计算得到各波导上的缝隙数ni = ( 8， 8， 7， 6， 5， 4) 。进而可知四分之一阵面的缝隙数为38， 故整个阵面的缝隙数为152。图2 是所设计的缝隙天线平面图， 选择第2 条波导的第3 个缝隙作为子阵的辐射中心。

图2 缝隙天线的平面图。

　　在圆口径泰勒分布条件下， 根据图1 所示流程计算得到各缝隙的偏置( 单位: mm) 。

　　计算缝隙在不同偏置条件下的谐振长度， 结果如表1所示。

表1 单缝部分计算结果

　　将计算所得数据采用5 次多项式拟合， 如图3所示。

　　根据拟合多项式可得每条缝隙的谐振长度。馈电波导的波导波长λ’g = 40.1 mm; 进而求出馈电波导的宽边内尺寸a‘= 15.99 mm， 取馈电波导的窄边内尺寸为b’ = 4 mm。

　　馈电缝隙的宽度与阵面辐射缝隙相比， 应适当取宽一点， 这里取2.5 mm。得到馈电缝隙等效电阻为( 0.230 1 Ω， 0.285 5 Ω， 0.247 3 Ω， 0.151 9 Ω， 0.057 7 Ω，0.027 7 Ω ) 。对于此馈电波导， 馈电缝隙偏角与等效电阻的关系如图4 所示。计算每条缝隙等效电阻所对应的偏角为( 13.35， 14.95， 13.86， 10. 76，6.57， 4.53) 。

图3 谐振长度与偏置的关系曲线。

图4 馈电缝隙偏角与等效电阻的关系。

　　3 仿真结果：

　　构成魔T 的波导与馈电波导相同， 建立魔T 模型，其计算结果表明， H， E 臂之间的隔离度在11. 5 ~12. 5 GHz范围内约为31 dB， 在该此频率范围内两臂电压驻波比均小于1. 8。

　　利用上述仿真的魔T 结构， 构建如图5 所示和差网络， 仿真结果如图6 所示。

图5 和差网络仿真模型。

图6 5 端口输入， 1， 2 与3， 4 端口等幅反相输出。

　　图7 给出了和波束方向图仿真结果， 图8 给出了天线几何模型及差波束方向图三维仿真结果。仿真结果表明， 在12 GHz 时， 和波束增益为28.9 dB， 第一副瓣电平为- 22.2 dB， 差波束零深25 dB， 和差网络端口电压驻波比小于2。

图7 和波束仿真方向图。

图8 差波束仿真模型及方向图。

　　4 结 语

　　波导缝隙平板阵列天线以其突出的性能指标得到广泛关注， 但由于其设计复杂， 影响因素多， 且加工工艺要求高， 要想实现工程应用， 需要多方面的努力。

　　本文针对一种X 波段波导缝隙天线， 对其进行了设计和仿真， 可为天线的实现提供技术依据。