[分享] 【讲座】波导缝隙天线的设计和仿真

波导馈电的缝隙阵天线自第二次世界大战以后有很大发展。它广泛用于各种领域：
1、地面、舰载、机载雷达
2、导航雷达
3、气象雷达
4、雷达信标天线LL
………………………………

特别最近十几年，随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展，要求天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，使波导缝隙天线成为此项要求的优选形式。同时随着各种计算机辅助技术的发展，如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用创造了基础。

波导缝隙构成的阵列主要有两种形式，即波导宽边开缝和波导窄边开缝，我们本次主要向大家介绍的是波导宽边开缝而构成的波导缝隙天线阵的设计与仿真。
波导宽边纵缝阵列天线不但具有口面效率高、副瓣电平低等优良的电气性能，而且还有厚度小、重量轻、结构紧凑、强度高、安装方便、抗风力强、功率容量大等特点，从而在机载火控雷达、导弹巡航等方面有着其它天线无法替代的优势。下面是几个波导宽边缝隙构成的阵列在实际中的应用实例。

主要讨论的内容：
1.波导缝隙天线的设计基础理论
2.波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真
3.波导缝隙驻波线、面阵天线的设计和仿真
4.波导缝隙天线的Ansoft HFSS的实例设计和仿真
（一）波导缝隙阵天线设计的基础理论
本章中您主要的目标是：
1.熟悉波导缝隙天线的基本概念。
2.了解波导缝隙的基本等效电路。
3.理解波导缝隙天线的基本电参数和缝隙阵列的构成。
4.知道波导缝隙天线的基本设计过程。









把一根波导放在自由空间，在波导输入端输入信号，波导终端接匹配负载。如果在波导宽边或窄边上切割一个窄的缝隙，此缝隙切断波导壁上的传导电流，在缝隙上将产生电场，且对波导内壁电流产生扰动，并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。随着缝隙切割在波导壁的位置不同，形成不同的缝隙形式。






若缝隙的几何尺寸、其在波导上的位置以及在波导中传送能量确定，则缝隙辐射能量的幅度及相位就确定了。一般在工程应用中，只要提到波导缝隙的设计，就会想到缝隙的等效电路。根据波导缝隙的等效电路形式，将波导缝隙可分为并联缝隙和串联缝隙。



波导缝隙的等效阻抗（导纳）
自1940年以来，许多学者对缝隙天线理论和试验进行了大量的工作。在波导缝隙的等效阻抗（导纳）理论分析工作上首推斯蒂文生（A.F.Stevenson）所取得的出色成果。随后奥里纳、易宏跃、宋夫哈克和卡尔松等人将其进一步推广。

（二）波导缝隙行波线阵天线的设计和仿真
本章中您主要的目标是：
熟悉波导缝隙行波线阵天线的基本属性。了解波导缝隙行波线阵天线的构成。知道波导缝隙行波线阵天线的基本设计过程。







实际工程中可知当缝隙阵天线的工作频率确定以后，根据实际波导的工作的频段，可以比较容易确定波导的尺寸。得到波导的宽边长度a，窄边长度b。将波导宽边长度a，带入上面公式，天线的主波束指向角度已知，就可求出缝隙间距d。

[ 本帖最后由 老夫子 于 2009-12-16 13:26 编辑 ]

根据波导缝隙阵列的设计理论，缝隙的偏移量对缝隙的谐振长度存在较大的影响，目前在理论上还没有十分明确的理论公式对这一影响进行分析，通常是采用实际工程中的经验值作为缝隙的谐振长度。在根据实际加工测量的结果进行部分的修正，最终得出缝隙的谐振长度，但是传统的设计方法，需要比较长的设计、加工和测试周期，不但使成本较高，而且非常费时、费力。










参数设置：
◎   length:此模型主要优化的变量。
◎   Offset:它主要调节并联缝隙的等效电导值，我们将其设置为辅助变化量。
设计要点：
◎当缝隙谐振时，有Im(Y)=0。
◎应用ABS（ Im(Y) ）作为代价函数。
◎将偏移距离Offset从1mm以每步1mm的变化量调整到8mm，然后在每一变化点处优化谐振长度。
◎从而得到波导缝隙谐振长度与偏移距离之间的关系，产生设计曲线。

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。







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。












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。













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！

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。












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。













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！

[ 本帖最后由 老夫子 于 2009-12-16 14:27 编辑 ]

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。

波导缝隙天线阵还是很常用的。。。。。

回复 11楼 老夫子 的帖子

波导缝隙天线阵，楼主知识面还是挺宽的

讲的非常好！

 

波导缝隙天线仿真

多谢楼主分享！！！！！！！！！！！！！！！！！

求一个HFSS仿真的波导缝隙阵仿真的实例，小白上路，谢谢大神。