波导缝隙天线的设计和仿真

gotoblue · 发表于 2007-11-17 19:39:19

gotoblue · 发表于 2007-11-17 19:46:40

从上图可以看出，天线的指向在－29度左右，我们设计为－30度，最大增益为19.35dB因为是均匀分布副瓣电平最大值为6.85dB，相差12.5dB与理论的－13dB，基本一致，可以说明HFSS V9.0在缝隙阵天线的设计上是十分有效的，可以作为我们广大微波天线工程师们的得力助手。

（三）波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真
本章中您主要的目标是：熟悉波导缝隙驻波线、面阵天线的基本属性。知道波导缝隙驻波线、面阵天线的基本设计。
前面已经讲过驻波阵的定义了，这里就不在介绍了。线性和平面谐振式（驻波阵）缝隙波导阵的设计已广泛的应用于实际工作中。所有的谐振式缝隙波导阵的公共基本特点总结如下：在天线阵中，所有的缝隙都是谐振的，也就是在中心频率上，缝隙等效电路的导纳或电抗都为零。
＃波导驻波电压最大值出现在并联缝隙上，最小值出现在串联缝隙上。
#在同一波导上，毗邻的缝隙都相距半个波导波长。
#主波束垂直于天线阵的口面（宽边）

为使相距半个波导波长的两个缝隙辐射同相位。毗邻的纵向缝隙都放在波导的中心线的两边。由于平面阵列可以看成是线阵的组合，因此平面阵的设计很类似线性阵的设计。这两种天线的互耦情况是不同的，因此分别加以讨论。

1、线性天线阵设计与仿真
~~谐振式线阵为了保证输入端在中心频率上完全匹配，要求如下：
~~对一端馈电的缝隙波导，所有归算的缝隙谐振的电导的总和等于1；对中心馈电的等于2。
~~对给定的缝隙位置上，要求缝隙谐振电导正比于辐射功率。

gotoblue · 发表于 2007-11-17 19:52:02

设计一个中心频率为10GHz 的波导缝隙线阵天线。
设计要求：
副瓣电平低于-20db，
增益大于等于18db，
驻波比小于1.5
带宽为100MHz。

根据设计要求，阵列形式选择为矩形波导宽边纵向驻波阵列，采用一根辐射波导，在其宽边开16 个缝隙，波导一端加短路板，另一端为馈电端口。对阵列进行泰勒分布加权，得到电流分布，从而得到各缝隙阵元等效电导值，算出对应的偏移量，进而得到各阵元的谐振长度。

根据前面所述的理论计算出各个缝隙的等效电导值，应用公式斯蒂文生推倒的波导纵缝的导纳等效公式计算出各个缝隙的偏移量,在不同偏置位置对缝隙谐振长度进行优化。经过优化我们可以的得到，如下数据：

和波导缝隙行波阵的模型建立过程相同，只是端口设定中，一端为波导端口，另一端为短路面。在这个模型中我们给出了考虑到波导壁厚的模型形式，按照波导缝隙天线的实际物理结构建立模型。应用第二种方法重复了行波阵，从计算结果来看，两种设计建模方法得出的结论基本一致，仅在后瓣的地方有细微的差别，这里就不在详细叙述。

E面方向图

gotoblue · 发表于 2007-11-17 20:00:50

从仿真结果看，模型基本满足设计要求，增益没有达到预想的18dB，可能是由于在画模型时并没有使每一个缝隙都在其谐振长度上，只是去了个平均值，在工程实践中设计低副瓣或极低副瓣的波导缝隙天线，则必须按详细的波导基本电参数来设计。

根据这种设计思想，我们设计了一个平板波导缝隙阵列。
具体设计步骤如下：
1、根据天线的增益要求和副瓣电平要求，计算处所需的波导数和波导上所看的缝隙数，天线口径面上缝隙的分布。
2、对于单根缝隙波导，则根据对中心馈电的缝隙波导，所有缝隙谐振的等效电导的总和等于2
3、根据每一根的波导上缝隙数目和电流分布情况，计算出各个缝隙的等效电导值，例如缝隙在波导上均匀分布，在此波导上准备开5个缝隙，则每个波导缝隙的等效电导值为0.4。
4、应用前面对线阵设计中讲过的方法，根据各个波导缝隙的等效电导值计算出各波导缝隙偏离波导中心的偏移量。
5、根据阵面要求设计，波导间的间距。一般两个波导间距为波导宽边长度加波导壁厚。
6、根据波导数和波导的分布情况结合，前面的设计缝隙参数，建立仿真的阵面模型。
7、根据波导的阵面模型，建立相应的馈电网络。
8、在设计馈电波导的各个缝隙时，要建立对倾斜缝隙的等效模型，进行优化求解，倾斜缝隙的等效模型如图所示。在不同倾角时优化缝隙的谐振长度，具体过程可参考偏移缝隙谐振长度优化。当缝隙在谐振时，有Im（Y（11））＝0。

gotoblue · 发表于 2007-11-17 20:06:50

2a、单脉冲平板缝隙阵天线仿真
许多雷达工作于单脉冲模式。单脉冲天线分为幅度及相位单脉冲两种形式。平板天线构成的单脉冲天线属于相位单脉冲天线，为取得单脉冲信号通常把天线划分为四个象限，每个象限再分为若干个子阵列。四个象限的信号通过馈电网络
形成“和”“差”信号，由于在工程实践中受重量体积的限制，天线设计中仅保证“和”波瓣按最佳设计。对“差”波瓣的副瓣电平一般不作要求。
要求“差”波瓣有以下指标：
•1、零点深度：差波瓣零值低于和波瓣最大值的数值，典型值为－30dB。
•2、零点漂移：指零点方向随频率、温度等变化而产生的偏移，一般要求<-3dB/100。在相位单脉冲情况下，由于“和”“差”信号固有相差为90度。因而在形成误差信号前应补偿掉相差。
下面的图为实例的单脉冲平板缝隙阵天线的HFSS模型。其设计流程与一般的波导缝隙平板天线的设计流程基本一致，只是在建模的时候可根据其四个象限的对称性，简化建模过程。再者如果计算机的配置并不是太好，可能HFSS不能计算
这样的电大尺寸的模型，您可以选择HFSS中的对称边界条件的设置，这样可以大大的减少计算量和缩短计算时间！

gotoblue · 发表于 2007-11-17 20:12:10

实际应用中天线阵列是由16个子阵列组合而成的，有400个辐射缝隙和100个耦合缝隙，馈电网络由一分十六的波导功分网络组成，其仿真的计算量相当巨大，一般的PC机是很难计算的，但在模型中加入适当的虚拟物体来优化其刨分，再根据其本身具有的对称性条件，可以利用对称边界条件等方式，来进一步减少计算量。

结束语

我们对波导缝隙阵列天线进行了设计和仿真分析，给出了具体实例和仿真结果，证明具体的工程实践中正确的使用Anosft软件可以大大节省设计时间和降低设计成本，在没有太多的实际工程经验条件下，只要按照一定的设计和仿真的具体流程来解决实际工程问题；只要在仔细对设计中的各个关键量进行详细的优化和调整就可以设计出满足实际需要波导缝隙阵天线。