CN104409859A - 一种高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高增益低副瓣的半高波导宽边裂缝天线，该天线包括以下部分：屏蔽板、半高波导宽边偏置裂缝。本发明天线采用了波导裂缝的经典电磁理论与电磁仿真软件相结合的方法来设计。根据Elliot的理论给出理想状态下的辐射缝隙参数与线源口径分布的数学关系，利用电磁仿真软件对天线的裂缝参数进行了仿真，根据仿真数据拟合得到了辐射缝隙电导和裂缝位置长度等物理量的关系，由此计算出缝隙的各个参量，省去了实验调试的步骤。最后根据增益指标的要求对天线设计了屏蔽板。本发明阵列天线具有高增益、低副瓣、重量轻的特性，适用于船舶导航雷达、对海探测雷达等需要大威力、高分辨力雷达天线的场合。

Description

一种高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种半高波导宽边裂缝天线，该天线由若干波导裂缝组成，具有高增益、低副瓣的辐射特性和体积小重量轻的结构特性，因此广泛应用于对海船舶交通管理等探测系统中。

背景技术

波导裂缝天线阵结构紧凑、体积小、重量轻，被广泛应用于雷达及通讯领域，其中波导宽边缝隙行波阵列天线因其易于实现低副瓣乃至超低副瓣性能而受到越来越多的工程应用的重视。

波导裂缝天线的基本原理是利用在波导宽壁或窄壁上开有的裂缝来切断波导壁上的电流而产生辐射。波导裂缝的辐射强度和相位可以通过改变裂缝偏置或倾角来控制。由多根开有裂缝的波导构成平板裂缝天线即可实现需要的二维口径分布。

1948年Stevenson发表了《Theroy of Slots in Retangular Waveguide》，建立了矩形波导内的Green函数，并用这些函数分析了TE₁₀模入射时，单个纵向缝隙的散射。他假定波导是空气填充的，缝长为λ₀/2(谐振长度)，缝内的电场为完全横向且呈等相位半余弦幅度分布，波导壁厚为无穷薄，缝所在的宽边嵌装在无穷大接地平面上。在这些条件下，Stevenson证明了单缝TE₁₀模的散射时对称的，因而单个缝可以表示为一个等效传输线的并联单元。采用功率守恒法，Stevenson导出一个以单个纵向缝的偏置x为变量的归一化谐振电导的计算公式：

式中a、b是波导截面尺寸，是TE₁₀模的传输常数，且。但Stevenson的结果并未能推广到非谐振缝隙的情形。

1951年，Stegen发表了《Longitudinal Shunt Slot Characteristics》，对开在标准X波段波导宽边上的纵向缝做了一系列的实验。通过实验Stegen发现缝隙导纳对谐振电导归一化的值可以用一个通式来表示，即：

式中是缝的导纳，它被看做是特征电导的等效无耗传输线上的一个关联单元，x和2l分别是缝的偏置值和长度。另外，Stegen发现，缝隙的谐振长度与缝隙偏置值有关，并做了相关的实验，将结果拟合起来，发现理论结果与实验值严格的吻合。

1985年，R. S. Elliott发表了《Resonant Length of Longitudinal Slots and Validity of Circuit Representation: Theory and Experiment》，提出了三个经典方程：

这三个方程作为波导裂缝天线求解的经典理论，指导了波导裂缝天线的设计和计算，其求解方法有迭代法、等效电路法等各种方法。但由于其方法较为复杂，处理互耦问题精度有待提高，设计时需制作实验件，其设计周期较长，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：采用特有结构组成，使得波宽变窄和增益提高，且重量和体积都有减小。新型的设计方法可使互耦处理的精度得到提高，降低了副瓣，不需再制作实验件，缩短了设计周期，减小了设计成本。

实现上述目的的具体技术方案如下。

1、一种高增益的波导裂缝线源天线，由波导裂缝、屏蔽板两部分组成。波导裂缝的形式选择宽边偏置缝，以应对垂直极化的需求。波导使用半高波导，减小体积重量。馈电形式采用行波阵，可提高辐射效率，减小驻波。

2、天线的裂缝单元采用圆头开槽缝隙，需要根据口径分布的要求来计算其电参数和物理参数，其具体方法为：

对于波导裂缝行波阵来说，由于每个缝隙间距不等于半导内波长，因此每个缝隙间会有一个固定的相位差，导致波束方向在H面内偏移。对于缝隙间距d，不能过小导致缝隙重叠，也不能过大导致栅瓣产生，因此缝间距d有一个范围，即。主瓣方向为 。

在阵元数目较多的情况下，每个缝隙的辐射功率仅是总功率的一小部分，因此每个缝隙可看做波导中的一个小的不连续，它对入射波产生较小的反射。此外由于缝隙间距不等于半导内波长，各缝隙产生的发射也不能同相叠加，因此在阵列的输入端驻波较小。

设阵列输入功率为1，令r为匹配负载的吸收功率，则第N个缝隙处的入射功率为，在等效电路特性阻抗归一化的条件下，可以递推得到每一个裂缝电导的表达式：

对于阵列的幅度分布和单元的辐射功率，有如下的关系：

两边求和可得到：

阵列幅度分布和吸收功率都是已知的，由此可求出常数K，进而可求得每个缝隙的辐射功率，从而可得到每个缝隙的电导值。再根据实验或仿真得到的拟合数据，可求出每一个缝隙的偏置量和谐振长度。 

3、根据高增益和俯仰面较窄波束的要求，为天线设计屏蔽板，屏蔽板为两块，分别位于天线上下部，用于压窄俯仰面波束，来达到提高增益的目的。其设计方法为依据最佳喇叭的主瓣宽度公式来计算：

本发明波导宽边裂缝天线的有益技术效果体现在下述几个方面。

1、天线采用波导宽边裂缝线源的形式，实现了较低的副瓣设计和较高的天线效率，缩短了设计加工周期，高精度的计算提高了加工效率。

2、加入了半高波导的应用，使得天线的体积和重量大大减小。

3、在裂缝线源的上下部分别加入屏蔽板，根据喇叭设计的理论，使得俯仰面波宽变窄，从而大大提高了天线的增益。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明天线的结构全图。

图2为本发明天线的局部结构示意图，其中1为屏蔽板部分，2为波导裂缝辐射部分。

图3为实例一的天线驻波曲线。

图4为实例一的天线传输参数曲线（S21）。

图5为实例一的天线三维方向图。

图6为实例一的天线归一化方位面方向图。

图7为实例一的天线俯仰面增益方向图。

具体实施方式

本发明具体实施方法为：参见图1与图2，一种高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线，天线单元采用波导宽边偏置缝形式，整个天线包括屏蔽板部分1，波导裂缝辐射部分2。本发明采用以下具体的技术措施：

1、每个裂缝的幅度分布根据天线的口径分布得到，天线阵列采取泰勒加权。假设阵列输入功率为1，令r为匹配负载的吸收功率，则第N个缝隙处的入射功率为，在等效电路特性阻抗归一化的条件下，此缝隙的等效电压V_N与入射功率满足：

另外，等效输入电导为g_N的缝隙，其辐射功率为：

由上两式可推出：

同样，第N-1个缝处的入射功率为，它又等于，该缝隙的辐射功率为：

因此

由此可递推得到：

对于阵列的幅度分布和单元的辐射功率，有如下的关系：

两边求和可得到：

阵列幅度分布和吸收功率都是已知的，由此可求出常数K，进而可求得每个缝隙的辐射功率，从而可得到每个缝隙的电导值。

2、对多个等参量的缝隙线阵进行仿真，得到一系列不同缝隙物理参数下的电导数据，将电导参量和缝隙物理量进行拟合，得到电参量与物理参量之间的关系。谐振长度与偏置量的拟合方程为：

归一化电导与偏置量的拟合方程：

根据拟合方程和计算得到的电导值即可算出缝隙的偏置量和长度。

3、为了使波导裂缝天线在频带内有较高的增益，并且俯仰面波宽达到较窄的设计要求，在波导裂缝天线的上下部分别加装了屏蔽板，根据最佳喇叭波宽的计算公式：

可以求得屏蔽板的长度和张角。

实例1：一个工作在X频段的高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线。该天线所有结构形式与图1、图2完全相同，采用波导宽边偏置缝，采用行波阵的激励方式，波导管使用BJ-100标准波导的半高形式，宽边a=22.86mm，窄边b=5.08mm，全长L=2529mm，裂缝宽度w=1.56mm，波导壁厚t=1mm。

图3为实例一天线驻波曲线，可见在工作频带内有源驻波均小于1.1，很好地满足了指标要求。

图4为实例一的天线传输系数（S21）曲线，可见其辐射效率在90%以上。

图5为实例一的天线三维方向图。

图6为实例一的天线方位面方向图，可见其副瓣都低于-32dB。

图7为实例一的天线俯仰面增益方向图，其增益大于30dB。

Claims (2)

1.一种高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线，包括屏蔽板、半高波导宽边偏置裂缝，其特征在于：

1）、采用波导宽边偏置缝，应用行波阵方式激励，提高了天线辐射效率；

2）、采用半高波导，减小了系统的体积和重量；

3）、波导裂缝线源的上下部分分别加入了屏蔽板，减小了波宽，提高了天线的增益。

2.一种高增益低副瓣半高波导宽边裂缝天线的设计方法，其特征在于：利用Elliot的理论给出理想状态下的辐射缝隙参数与线源口径分布的数学关系，使用电磁仿真软件对天线的裂缝参数进行了仿真，以仿真数据拟合得到了辐射缝隙电导和裂缝位置长度的关系，并计算出缝隙的各个参量，提高设计精度，减少设计周期和成本。