...圆极化介质复合波导缝隙阵列天线的HFSS设计
陈晓鹏+陈文俊+石磊
摘 要： 为了快速设计波导窄边斜缝行波阵列天线，采用理论计算结合软件仿真的方法。利用电磁仿真软件HFSS模拟实验过程 ，得到裂缝电导函数。初始设计完成后，比较仿真结果口径分布和理论口径分布的差异，微调裂缝尺寸参数使天线口面幅度逼近设计值。设计了一个47阵元行波线阵，并采用两根波导对称放置抑制交叉极化。Taylor综合副瓣值为-30 dB，仿真得到的最大副瓣值为-24.8 dB，波瓣宽度为2.2°，增益为24.6 dB。
关键词： 波导窄边斜缝； 行波阵； 口径分布； 交叉极化
中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0086?03
Design of waveguide narrow?side inclined slot non?resonant array antenna
CHEN Xiao?peng， CHEN Wen?jun， SHI Lei
（Nanjing Marine Radar Institute， Nanjing 210015， China）
Abstract： Theoretical computation and software simulation are combined to design waveguide narrow?side inclined slot non?resonant array antenna quickly. The electromagnetic simulation software HFSS is used to simulate the experimentation for getting the slot conductance function. After the initial design， the inclination angles and depth of the slots are adjusted to make actinal surface amplitude of the antenna approach the design value according to the difference got by comparing the simulated field distribution with the theoretical distribution. A non?resonant linear array antenna with 47 array elements was designed. Another slot array was placed symmetrically to restrain the cross polarization. The simulated max side lobe is -24.8 dB while Taylor comprehensive side lobe is -30 dB. The HPBW is 2.2° and the gain is 24.6 dB.
Keywords： waveguide sidewall inclined slot array； non?resonant array； field distribution； cross polarization
0 引 言
波导窄边裂缝天线以其口径效率高、馈电简单、重量轻、体积小、易加工等优点广泛应用于军民用雷达、通信系统等领域[1?4]。在设计此类天线时，首先应根据天线的增益、副瓣电平等特性，确定天线工作形式以及天线长度、裂缝个数、裂缝偏转角度和裂缝切入宽边深度等参数；其次，要抑制裂缝倾斜产生的交叉极化分量。本文根据Taylor线源分布确定各裂缝电导；借助商业电磁仿真软件HFSS的参数扫描及优化功能，提取“裂缝电导函数”；在初始设计完成后，对整个线阵进行仿真，微调阵中部分阵元的倾角和切入深度参数，使各单元幅度分布逼近理论口径分布。
1 天线设计
1.1 确定裂缝电导分布
波导窄边裂缝行波阵的示意图及等效电路图分别如图1，图2所示。
图1 波导窄边裂缝行波阵示意图
图2 波导窄边裂缝行波阵等效电路图
各符号意义如下：[yi=gi+jbi，]表示第[i]个裂缝的归一化导纳；[y+i=g+i+jb+i，]表示第[i]个裂缝右边向负载端看去的归一化导纳；[y-i=yi+y+i，]表示第[i]个裂缝左边向负载端看去的归一化导纳；[pri]表示第[i]个裂缝的辐射功率；[p+i]表示第[i]个裂缝右边向负载传输的功率；[p-i]表示第[i]个裂缝左边向负载传输的功率。这里的裂缝导纳是计入裂缝间互耦后的等效导纳，功率指有功功率。设[α]为波导衰减常数，则波导内传输的行波功率经过间距[d]后减小到[q]倍：[q=e-2αd]。波导窄边裂缝行波阵中第[i]个裂缝的归一化电导[gi]的计算公式[5]为：
[gi=（a2iq-j+1）1erj=1Na2j-j=1ia2jq-j+1] （1）
式中：[ai]代表给定的第[i]个裂缝的口径激励系数（[pri∝a2i]），根据此式，[gi]可直接由给定的口径分布和天线辐射效率[er]算出。
应用Taylor口径综合法，得到一个使副瓣电平为-30 dB，等副瓣个数为5的47元波导裂缝阵列天线的口径分布。选定[er]的值，根据理论口径分布曲线和公式（1），计算出需要实现的电导分布图如图3所示。
图3 裂缝电导分布
1.2 提取裂缝电导函数
在设计中通过仿真得出[S]参数，依据[S]参数计算出裂缝电导，可获得较理想的裂缝电导函数。应用高频电磁仿真软件HFSS建立用于提取参数的波导裂缝阵列模型，裂缝单元数[N、]相邻裂缝间距、裂缝宽度与所要设计的天线相同，所有裂缝倾角相等，相邻裂缝交替倒向。根据仿真得到的终端匹配负载吸收的相对功率，得到单个裂缝在阵中的平均电导值。采用行波近似，计算公式如下[6] ：
[g=γL-1N-1] （2）
匹配负载的相对吸收功率[γL]用[S]参数表示为：
[γL=S2121-S112] （3）
在仿真模型中选定裂缝倾角，对裂缝切深进行参数扫描，当归一化电导值达到最大时记录此时的电导和切深值。重复此工作得到不同倾角裂缝对应的谐振归一化电导和切入深度。
对所得数据进行曲线拟合，得到裂缝电导函数。由裂缝电导函数得到任意归一化电导值所对应的裂缝尺寸，根据图3的理论电导分布得到波导窄边裂缝阵列天线的几何参数分布。
图4 裂缝倾角和切入深度分布
1.3 微调口径分布
设计一个工作频率为9 410 MHz，线阵长度为952 mm，波束偏离波导法向5°的波导窄边裂缝行波阵。首先依据文献[1]中的方法，选定裂缝间距；然后按照图4中的裂缝参数，在HFSS中建模仿真，取BJ?100波导，裂缝宽度2 mm。
直接将计算出的倾角、切入深度参数作为设计参数不能很好地实现目标口径分布；在某些裂缝处，口径分布出现了较大误差[7]，需要微调。因为裂缝倾角越大，裂缝辐射能力越大，所以，对仿真口径幅度小于理论口径幅度的裂缝，适当增大其倾角；对仿真口径幅度大于目标口径幅度的裂缝，适当减小其倾角。经过几次微调后，得到如图5所示的口径分布图。
图5 口径分布对比图
微调时需要注意两点：
第一，微调角度不宜过大，且每次只对一个裂缝进行微调。对某一个裂缝倾角调整地过大或同时调整两个以上裂缝倾角会对互耦环境产生较为严重的影响，使其他裂缝口径分布产生更大的恶化。
第二，尽量只微调阵列两端的裂缝。图4显示，阵列两端的裂缝倾角比中间小，倾角大小在15°以下的裂缝切入深度基本一致。尽量只微调阵列两端的裂缝，可以不用调整对应的切入深度，以免不能达到优化口径分布的目的。
微调前仿真口径分布曲线与理论口径分布曲线的相关系数为0.982 7，微调之后达到0.993 1。
2 抑制交叉极化
将两个窄边裂缝波导对置来抑制交叉极化[8]，在两排裂缝波导之间加装[λ4]扼流槽[9]，对应裂缝倾斜角相反，两根波导等幅反相馈电。如图6所示。
图6 抑制交叉极化
从图7中可以看出，抑制前，交叉极化瓣最大值达到-15 dB左右，抑制后降低到-40 dB。
图7 交叉极化抑制效果对比
3 仿真结果
图8是仿真结果方向图，主瓣最大值出现在-5°，增益达到24.6 dB，最大副瓣达到-24.8 dB， 波瓣宽度为2.2°。两根波导的VSWR<1.06带宽均达到100 MHz。在中心频率处，两根波导的[S21]参数分别为-11.5 dB和-11.7 dB。
4 结 语
本文先确定幅度分布，再导出归一化电导分布，利用HFSS高频电磁仿真软件的参数扫描功能提取裂缝电导函数，最后计算裂缝参数，设计了一个47阵元的波导窄边倾斜裂缝行波阵列天线。仿真验证后，微调裂缝参数使口径分布逼近设计值，使用两个波导对称放置的方法来抑制交叉极化。仿真结果表明此方法具有应用价值。
图8 仿真结果方向图
参考文献
[1] 卢万铮.天线理论与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] ELLIOTT R S. Antenna theory and design [M]. Englewood Cliffs： Prentice Hall， 1981.
[3] 林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
[4] 马汉炎.天线技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.
[5] 钟顺时.波导窄边裂缝天线的设计[J].西北电讯工程学院学报，1976，1（1）：165?168.
[6] 史永康.窄边波导缝隙行波阵的低副瓣设计[J].遥测遥控，2009，30（6）：21?24.
[7] 詹珍贤，张轶江，何诚.毫米波波导窄边斜缝驻波阵天线的设计[J].电子信息对抗技术，2013，7（4）：69?72.
[8] 方正新，张玉梅.S波段低副瓣波导裂缝阵列天线设计[J].现代电子技术，2013，36（5）：67?69.
[9] 邱磊.波导窄边缝隙阵分析与设计[D].长沙：国防科技大学，2008.
图3 裂缝电导分布
1.2 提取裂缝电导函数
在设计中通过仿真得出[S]参数，依据[S]参数计算出裂缝电导，可获得较理想的裂缝电导函数。应用高频电磁仿真软件HFSS建立用于提取参数的波导裂缝阵列模型，裂缝单元数[N、]相邻裂缝间距、裂缝宽度与所要设计的天线相同，所有裂缝倾角相等，相邻裂缝交替倒向。根据仿真得到的终端匹配负载吸收的相对功率，得到单个裂缝在阵中的平均电导值。采用行波近似，计算公式如下[6] ：
[g=γL-1N-1] （2）
匹配负载的相对吸收功率[γL]用[S]参数表示为：
[γL=S2121-S112] （3）
在仿真模型中选定裂缝倾角，对裂缝切深进行参数扫描，当归一化电导值达到最大时记录此时的电导和切深值。重复此工作得到不同倾角裂缝对应的谐振归一化电导和切入深度。
对所得数据进行曲线拟合，得到裂缝电导函数。由裂缝电导函数得到任意归一化电导值所对应的裂缝尺寸，根据图3的理论电导分布得到波导窄边裂缝阵列天线的几何参数分布。
图4 裂缝倾角和切入深度分布
1.3 微调口径分布
设计一个工作频率为9 410 MHz，线阵长度为952 mm，波束偏离波导法向5°的波导窄边裂缝行波阵。首先依据文献[1]中的方法，选定裂缝间距；然后按照图4中的裂缝参数，在HFSS中建模仿真，取BJ?100波导，裂缝宽度2 mm。
直接将计算出的倾角、切入深度参数作为设计参数不能很好地实现目标口径分布；在某些裂缝处，口径分布出现了较大误差[7]，需要微调。因为裂缝倾角越大，裂缝辐射能力越大，所以，对仿真口径幅度小于理论口径幅度的裂缝，适当增大其倾角；对仿真口径幅度大于目标口径幅度的裂缝，适当减小其倾角。经过几次微调后，得到如图5所示的口径分布图。
图5 口径分布对比图
微调时需要注意两点：
第一，微调角度不宜过大，且每次只对一个裂缝进行微调。对某一个裂缝倾角调整地过大或同时调整两个以上裂缝倾角会对互耦环境产生较为严重的影响，使其他裂缝口径分布产生更大的恶化。
第二，尽量只微调阵列两端的裂缝。图4显示，阵列两端的裂缝倾角比中间小，倾角大小在15°以下的裂缝切入深度基本一致。尽量只微调阵列两端的裂缝，可以不用调整对应的切入深度，以免不能达到优化口径分布的目的。
微调前仿真口径分布曲线与理论口径分布曲线的相关系数为0.982 7，微调之后达到0.993 1。
2 抑制交叉极化
将两个窄边裂缝波导对置来抑制交叉极化[8]，在两排裂缝波导之间加装[λ4]扼流槽[9]，对应裂缝倾斜角相反，两根波导等幅反相馈电。如图6所示。
图6 抑制交叉极化
从图7中可以看出，抑制前，交叉极化瓣最大值达到-15 dB左右，抑制后降低到-40 dB。
图7 交叉极化抑制效果对比
3 仿真结果
图8是仿真结果方向图，主瓣最大值出现在-5°，增益达到24.6 dB，最大副瓣达到-24.8 dB， 波瓣宽度为2.2°。两根波导的VSWR<1.06带宽均达到100 MHz。在中心频率处，两根波导的[S21]参数分别为-11.5 dB和-11.7 dB。
4 结 语
本文先确定幅度分布，再导出归一化电导分布，利用HFSS高频电磁仿真软件的参数扫描功能提取裂缝电导函数，最后计算裂缝参数，设计了一个47阵元的波导窄边倾斜裂缝行波阵列天线。仿真验证后，微调裂缝参数使口径分布逼近设计值，使用两个波导对称放置的方法来抑制交叉极化。仿真结果表明此方法具有应用价值。
图8 仿真结果方向图
参考文献
[1] 卢万铮.天线理论与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] ELLIOTT R S. Antenna theory and design [M]. Englewood Cliffs： Prentice Hall， 1981.
[3] 林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
[4] 马汉炎.天线技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.
[5] 钟顺时.波导窄边裂缝天线的设计[J].西北电讯工程学院学报，1976，1（1）：165?168.
[6] 史永康.窄边波导缝隙行波阵的低副瓣设计[J].遥测遥控，2009，30（6）：21?24.
[7] 詹珍贤，张轶江，何诚.毫米波波导窄边斜缝驻波阵天线的设计[J].电子信息对抗技术，2013，7（4）：69?72.
[8] 方正新，张玉梅.S波段低副瓣波导裂缝阵列天线设计[J].现代电子技术，2013，36（5）：67?69.
[9] 邱磊.波导窄边缝隙阵分析与设计[D].长沙：国防科技大学，2008.
图3 裂缝电导分布
1.2 提取裂缝电导函数
在设计中通过仿真得出[S]参数，依据[S]参数计算出裂缝电导，可获得较理想的裂缝电导函数。应用高频电磁仿真软件HFSS建立用于提取参数的波导裂缝阵列模型，裂缝单元数[N、]相邻裂缝间距、裂缝宽度与所要设计的天线相同，所有裂缝倾角相等，相邻裂缝交替倒向。根据仿真得到的终端匹配负载吸收的相对功率，得到单个裂缝在阵中的平均电导值。采用行波近似，计算公式如下[6] ：
[g=γL-1N-1] （2）
匹配负载的相对吸收功率[γL]用[S]参数表示为：
[γL=S2121-S112] （3）
在仿真模型中选定裂缝倾角，对裂缝切深进行参数扫描，当归一化电导值达到最大时记录此时的电导和切深值。重复此工作得到不同倾角裂缝对应的谐振归一化电导和切入深度。
对所得数据进行曲线拟合，得到裂缝电导函数。由裂缝电导函数得到任意归一化电导值所对应的裂缝尺寸，根据图3的理论电导分布得到波导窄边裂缝阵列天线的几何参数分布。
图4 裂缝倾角和切入深度分布
1.3 微调口径分布
设计一个工作频率为9 410 MHz，线阵长度为952 mm，波束偏离波导法向5°的波导窄边裂缝行波阵。首先依据文献[1]中的方法，选定裂缝间距；然后按照图4中的裂缝参数，在HFSS中建模仿真，取BJ?100波导，裂缝宽度2 mm。
直接将计算出的倾角、切入深度参数作为设计参数不能很好地实现目标口径分布；在某些裂缝处，口径分布出现了较大误差[7]，需要微调。因为裂缝倾角越大，裂缝辐射能力越大，所以，对仿真口径幅度小于理论口径幅度的裂缝，适当增大其倾角；对仿真口径幅度大于目标口径幅度的裂缝，适当减小其倾角。经过几次微调后，得到如图5所示的口径分布图。
图5 口径分布对比图
微调时需要注意两点：
第一，微调角度不宜过大，且每次只对一个裂缝进行微调。对某一个裂缝倾角调整地过大或同时调整两个以上裂缝倾角会对互耦环境产生较为严重的影响，使其他裂缝口径分布产生更大的恶化。
第二，尽量只微调阵列两端的裂缝。图4显示，阵列两端的裂缝倾角比中间小，倾角大小在15°以下的裂缝切入深度基本一致。尽量只微调阵列两端的裂缝，可以不用调整对应的切入深度，以免不能达到优化口径分布的目的。
微调前仿真口径分布曲线与理论口径分布曲线的相关系数为0.982 7，微调之后达到0.993 1。
2 抑制交叉极化
将两个窄边裂缝波导对置来抑制交叉极化[8]，在两排裂缝波导之间加装[λ4]扼流槽[9]，对应裂缝倾斜角相反，两根波导等幅反相馈电。如图6所示。
图6 抑制交叉极化
从图7中可以看出，抑制前，交叉极化瓣最大值达到-15 dB左右，抑制后降低到-40 dB。
图7 交叉极化抑制效果对比
3 仿真结果
图8是仿真结果方向图，主瓣最大值出现在-5°，增益达到24.6 dB，最大副瓣达到-24.8 dB， 波瓣宽度为2.2°。两根波导的VSWR<1.06带宽均达到100 MHz。在中心频率处，两根波导的[S21]参数分别为-11.5 dB和-11.7 dB。
4 结 语
本文先确定幅度分布，再导出归一化电导分布，利用HFSS高频电磁仿真软件的参数扫描功能提取裂缝电导函数，最后计算裂缝参数，设计了一个47阵元的波导窄边倾斜裂缝行波阵列天线。仿真验证后，微调裂缝参数使口径分布逼近设计值，使用两个波导对称放置的方法来抑制交叉极化。仿真结果表明此方法具有应用价值。
图8 仿真结果方向图
参考文献
[1] 卢万铮.天线理论与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] ELLIOTT R S. Antenna theory and design [M]. Englewood Cliffs： Prentice Hall， 1981.
[3] 林昌禄，聂在平.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002.
[4] 马汉炎.天线技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.
[5] 钟顺时.波导窄边裂缝天线的设计[J].西北电讯工程学院学报，1976，1（1）：165?168.
[6] 史永康.窄边波导缝隙行波阵的低副瓣设计[J].遥测遥控，2009，30（6）：21?24.
[7] 詹珍贤，张轶江，何诚.毫米波波导窄边斜缝驻波阵天线的设计[J].电子信息对抗技术，2013，7（4）：69?72.
[8] 方正新，张玉梅.S波段低副瓣波导裂缝阵列天线设计[J].现代电子技术，2013，36（5）：67?69.
[9] 邱磊.波导窄边缝隙阵分析与设计[D].长沙：国防科技大学，2008.
