CN108073770A - Cts天线和victs天线慢波结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是涉及一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，首先，建立基于均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导色散方程模型，建立基于横向辐射枝节的均匀矩形梳齿结构的平行板波导色散方程模型；然后，根据上述的两个色散方程模型，得到横向辐射枝节单元的等效介电常数与矩形梳齿结构参数、平行板波导高度的映射关系；最后，根据VICTS天线设计要求，选择平行板波导高度的变化规律、函数或曲线，根据得到的映射关系，选择不同平行板波导高度下对应的矩形梳齿结构参数。本发明通过对VICTS天线中慢波结构的矩形梳齿进行非线性设计，实现了阵列优化的同时，也保证了天线的增益、驻波比等参数不恶化，甚至是改善。

Description

CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法

技术领域

本发明属于卫星通信天线技术领域，特别是涉及一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法。

背景技术

VICTS(Variable Inclination Continuous Transverse Stub)阵列天线由连续断面节CTS(Continuous Transverse Stub)阵列天线发展而来，典型的平行板波导CTS天线是一种频扫漏波天线，将CTS天线的横向辐射枝节与馈电结构相对转动，即可实现具有全空间波束扫描能力的VICTS天线。在VICTS天线设计过程中，为实现天线大角度扫描并抑制栅瓣，在CTS阵列中需增加慢波结构设计，一般采用矩形梳齿状的金属结构，这种矩形梳齿结构通过周期扰动激励起空间谐波，让其快波的谐波分量不断向外辐射。串馈的CTS天线由于周期的缝隙不断辐射能量，故靠后的缝隙辐射的能量是递减的，降低了CTS/VICTS阵列天线的增益。为了控制每一条横向辐射缝隙的辐射能量尽可能均匀，提高天线系统增益，这时对慢波结构的非线性设计是非常必要的。慢波结构的非线性设计不仅可以使CTS/VICTS天线口径的幅度分布均匀，还可以对天线阵列方向图主瓣宽度和副瓣电平进行有效控制，或是应用于特定场景下的相位分布控制阵列设计。

未经过优化的CTS/VICTS阵列天线，其单元结构是类周期的(由于阵列非无限长)，各个单元结构之间的参数一致，导波特性也一致。而对阵列口径幅度分布的控制一般是通过非线性设计平行板波导实现的，此时各个单元结构是变化的，直接级联各单元会导致增益和驻波比的急剧恶化。为保证准TEM波在非线性平行板波导中传播相速度恒定，其矩形梳齿状的慢波结构参数也必须进行相应的设计。而基于非线性矩形梳齿慢波结构的CTS/VICTS天线理论分析难度大，结构设计复杂，目前尚无专门的文献研究。因此，本专利针对这一问题提出一种CTS/VICTS天线慢波结构设计方法，以解决CTS/VICTS天线设计中阵列优化问题。

发明内容

针对CTS/VICTS天线中副瓣电平控制、初始扫描角度设计时，单元结构的非周期导致的传播相速度不一致的问题，本发明提供一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，通过对VICTS天线中慢波结构的矩形梳齿进行非线性设计，实现了CTS/VICTS天线中非周期单元的相等传播相速度设计，实现了阵列优化的同时，也保证了天线的增益、驻波比等参数不恶化，甚至是改善。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，含有以下步骤：

步骤1，建立基于均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导色散方程模型；

步骤2，建立基于横向辐射枝节的均匀矩形梳齿结构的平行板波导色散方程模型；

步骤3，根据步骤1和步骤2所述的两个色散方程模型，得到横向辐射枝节单元的等效介电常数与矩形梳齿结构参数、平行板波导高度的映射关系；

步骤4，根据VICTS天线设计要求，选择平行板波导高度的变化规律、函数或曲线，根据步骤3中得到的映射关系，选择不同平行板波导高度下对应的矩形梳齿结构参数。

进一步地，所述步骤1的具体实现过程为：

均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导能量沿X方向传播，结构在Y方向上为开放的，W是平行板波导的宽度，矩形梳齿的宽度、周期、间隔和高度分别是a、p、s、h，hwg是平行板波导的高度，b是矩形梳齿顶部到平行板波导顶部的距离，hwg＝(b+h)，则均匀矩形梳齿慢波结构平行板波导的色散方程为：

其中，β_m是m次谐波的在X方向上的传播常数，β_m＝β^unp+2mπ/p，β^unp是基模的传播常数，是I区的Z向的传播常数，β₀是自由空间的传播常数，m＝0,-1次谐波对空间谐波求和项贡献最大，且矩形梳齿结构的色散方程收敛很快，因此采用截断处理，取m＝±3时，截断误差小于10^-6；是II区的Z向传播因子，β_n是II区n次谐波的传播常数，β_n＝nπ/s,其中n为自然数。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程为：

将填充均匀矩形梳齿的平行板波导等效为特性阻抗为Z_c的传输线，横向辐射枝节等效为串联在传输线上的阻抗Z_s，建立CTS/VICTS天线的等效电路模型；

慢波加载的平行板波导中，传播常数为β^unp的慢波为导行波，天线主要以‐1次谐波为漏波进行辐射，横向辐射枝节辐射条件下的传播常数由Bloch理论(布洛赫理论)得到：

其中，是‐1次谐波的复传播常数，为衰减系数，d是天线阵列单元间距，

进一步地，所述步骤4的具体实现过程为：

步骤401，根据VICTS天线设计要求，选择平行板波导高度变化的策略，以达到副瓣电平控制或是最大辐射效率；

根据式(3)计算出某一频率下的波束扫描角度θ₀与等效介电常数之间的关系，β₀是该频率下的自由空间传播常数，通过系统指标θ₀确定需要固定的等效介电常数ε_e；

步骤402，根据已经确定的平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数基础上，选定需要调节的矩形梳齿的结构参数；在步骤3得到的映射关系中，代入平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数，即可得到随着能量传播过程中，矩形梳齿参数的变化曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明建立了CTS/VICTS天线的慢波结构理论模型，该模型实现了对天线中横向辐射枝节的等效阻抗、平行板波导高度和宽度、矩形梳齿结构参数(周期、高度和宽度)与单元的等效介电常数之间关系的分析，具有重要的理论价值。

2、该理论模型是进行CTS/VICTS天线的副瓣电平控制、初始扫描角度设计环节中，慢波结构设计的必要的理论基础。例如，在已经采用具有使场分布更加均匀的非线性平行板波导中设计基础上，设计相应的矩形梳齿结构，在提高了CTS/VICTS天线的辐射效率的同时也保证了天线的驻波比不恶化；在已经采用具有低副瓣特性的非线性平行板波导中设计基础上，设计相应的矩形梳齿结构，在降低了CTS/VICTS天线的副瓣电平的同时也保证了天线的正常辐射与驻波比不恶化；可以通过慢波结构设计，使某一频率的波指向某一固定的扫描角度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法的流程示意图；

图2是类周期的CTS/VICTS天线单元结构的侧面剖视图；

图3是非线性设计的CTS/VICTS天线单元结构的侧面剖视图；

图4是圆形口径的CTS/VICTS天线立体示意图(仿真模型)；

图5是圆形口径的CTS/VICTS天线侧面示意图(仿真模型)；

图6是无横向辐射枝节的横向剖视图；

图7是无横向辐射枝节的纵向剖视图；

图8是VICTS天线等效电路模型图；

图9是具有均衡电场分布能力的平行板波导高度非线性的设计曲线图；

图10是单元等效介电常数与矩形梳齿高度、平行板波导高度的映射关系图；

图11是平行板波导高度与慢波高度优化前后，平行板波导内电场强度对比图；

图12是三种不同设计的VICTS天线全波仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。

首先简要介绍天线的基本结构：上下层金属平行板、辐射缝隙、匹配枝节、慢波结构和馈源结构。上层平行板上切割有缝隙，并在缝隙上加载了匹配枝节，缝隙与枝节合称为横向辐射枝节。下层平行板加载慢波结构，并通常和馈电结构相连，见图2。将图2所示的单元结构沿X方向周期级联，沿Y方向展宽，就是串馈的CTS阵列天线，同时也是VICTS天线的辐射主体部分。然而VICTS天线的上下平行板之间可以相互转动，从而比CTS增加了波束扫描的功能，其余的极化调整层、馈电层和结构支撑不涉及本发明内容。图3给出了采用非线性设计单元结构，从图中可以看出，平板波导的高度和矩形梳齿的结构参数是变化的，单元不再相同，按照这种单元设计构成的阵列如图4、图5所示。图4给出了圆形口径的天线阵列，简化了VICTS天线的外部工程设计和馈源结构，天线采用波端口激励，图5是天线的侧面示意图，图中的平板波导高度是不断减小的。

请参照图1，图1是本发明一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法的流程示意图，该方法包括：

步骤1，建立基于均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导色散方程模型。

均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导如图6和图7所示，能量沿X方向传播，结构在Y方向上为开放的，W是平行板波导的宽度，矩形梳齿的宽度、周期、间隔和高度分别是a、p、s、h，hwg是平行板波导的高度，b是矩形梳齿顶部到平行板波导顶部的距离，hwg＝(b+h)，则均匀矩形梳齿慢波结构平行板波导的色散方程为：

其中，β_m是m次谐波的在X方向上的传播常数，β_m＝β^unp+2mπ/p，β^unp是基模的传播常数，是I区的Z向的传播常数，β₀是自由空间的传播常数，m＝0,-1次谐波对空间谐波求和项贡献最大，且矩形梳齿结构的色散方程收敛很快，因此采用截断处理，取m＝±3时，截断误差小于10^-6；是II区的Z向传播因子，β_n是II区n次谐波的传播常数，β_n＝nπ/s(n＝0,1,2,...)。

步骤2，建立基于横向辐射枝节的均匀矩形梳齿结构的平行板波导色散方程模型。

图2所示单元即是基于横向辐射枝节的均匀矩形梳齿结构的平行板波导结构，以该结构为基础，研究清楚单元的等效介电常数与结构参数之间的关系，是进行非线性设计的重要一步。将图6和图7中填充均匀矩形梳齿的平行板波导等效为特性阻抗为Z_c的传输线，横向辐射枝节等效为串联在传输线上的阻抗Z_s，建立CTS/VICTS天线的等效电路模型，如图8所示；

慢波加载的平行板波导中，传播常数为β^unp的慢波为导行波，天线主要以‐1次谐波为漏波进行辐射，横向辐射枝节辐射条件下的传播常数由Bloch理论得到：

其中，是‐1次谐波(快波分量)的复传播常数，为衰减系数，d是天线阵列单元间距，

步骤3，根据步骤1和步骤2所述的两个色散方程模型，在确定了单元的周期、横向枝节参数的基础上，可以得到横向辐射枝节单元的等效介电常数与矩形梳齿结构参数、平行板波导高度的映射关系。

步骤4，根据VICTS天线设计要求，选择合适的平行板波导高度的变化规律、函数或曲线，根据步骤3中得到的映射关系，选择不同平行板波导高度下对应的矩形梳齿结构参数。

a)、根据VICTS天线设计要求，选择合适的平行板波导高度变化的策略，以达到副瓣电平控制或是最大辐射效率等系统指标；

根据式(3)可以计算出某一频率下的波束扫描角度θ₀与等效介电常数之间的关系，β₀是该频率下的自由空间传播常数，通过系统指标θ₀确定需要固定的等效介电常数ε_e；

b)、根据已经确定的平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数基础上，选定需要调节的矩形梳齿的结构参数(矩形梳齿的宽度、高度和周期)，一般为了设计和加工的简便，建议选取一个参数(矩形梳齿的宽度或者高度)进行调节；在步骤3得到的映射关系中，代入平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数，即可得到随着能量传播过程中，矩形梳齿参数的变化曲线。无论是平行板波导高度的变化吗，还是矩形梳齿参数的变化，一般情况下都是非线性的，故简称为慢波结构的非线性设计。

为了更透彻、更直观地理解CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，下面举一个具体实例对其进行说明：

对于一个直径为700mm的圆形口径VICTS天线，工作频带为12.25～12.75GHz，以12.75GHz为设计频点，希望该频点的初始扫描角度在-6.2°，由式(3)计算得到单元的等效介电常数为1.3，平行板波导高度按照图9所示的曲线设计，目的是让平行板波导内的场分布的更加均匀。Z_s＝15.5Ω，加载了慢波结构的平行板波导特性阻抗本例中固定矩形梳齿的宽度和周期参数，通过调节矩形梳齿的高度来调节单元的等效介电常数，通过式(1)、(2)计算得到横向辐射枝节单元等效介电常数与矩形梳齿高度、平行板波导高度的映射如图10所示。图中横坐标是平行板波导高度hwg，纵坐标是矩形梳齿高度h，颜色深浅代表着等效介电常数ε_e的大小，黑色的曲线代表着等效介电常数均为1.3的(hwg,hpm)组合。采用这种非线性设计的VICTS阵列天线如图4、图5所示。如图11所示是平行板波导高度与慢波高度非线性前后，平行板波导内电场强度对比，可以看出，该发明在保证了在平行板高度变化时平行板波导传播特性的一致性时，使得不同辐射枝节的能量辐射更加均匀。最后将确定的参数模型进行建模和电磁仿真验证，结果见图12。对比图12三个不同条件下的天线驻波比和增益曲线，hwg和h恒定的VICTS天线其驻波比较好，矩形梳齿参数保持不变，只改变hwg的高度，驻波和增益都有了明显恶化，在进行hwg和h关联的非线性设计后，得到的VICTS天线增益得到优化提升，驻波比特性较好，这证明了该方法在VICTS天线阵列设计中的实用性和有效性。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，其特征在于，含有以下步骤：

步骤1，建立基于均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导色散方程模型；

步骤2，建立基于横向辐射枝节的均匀矩形梳齿结构的平行板波导色散方程模型；

步骤3，根据步骤1和步骤2所述的两个色散方程模型，得到横向辐射枝节单元的等效介电常数与矩形梳齿结构参数、平行板波导高度的映射关系；

步骤4，根据VICTS天线设计要求，选择平行板波导高度的变化规律、函数或曲线，根据步骤3中得到的映射关系，选择不同平行板波导高度下对应的矩形梳齿结构参数。

2.根据权利要求1所述的CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现过程为：

均匀矩形梳齿慢波结构的平行板波导能量沿X方向传播，结构在Y方向上为开放的，W是平行板波导的宽度，矩形梳齿的宽度、周期、间隔和高度分别是a、p、s、h，hwg是平行板波导的高度，b是矩形梳齿顶部到平行板波导顶部的距离，hwg＝(b+h)，则均匀矩形梳齿慢波结构平行板波导的色散方程为：

<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mrow> <mo>+</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> </munderover> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>I</mi> </mrow> </msubsup> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>m</mi> <mi>I</mi> </msubsup> <mi>p</mi> </mrow> </mfrac> <msup> <mi>Sa</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>tanh</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>m</mi> <mi>I</mi> </msubsup> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中，β_m是m次谐波的在X方向上的传播常数，β_m＝β^unp+2mπ/p，β^unp是基模的传播常数，是I区的Z向的传播常数，β₀是自由空间的传播常数，m＝0,-1次谐波对空间谐波求和项贡献最大，且矩形梳齿结构的色散方程收敛很快，因此采用截断处理，取m＝±3时，截断误差小于10^-6；是II区的Z向传播因子，β_n是II区n次谐波的传播常数，β_n＝nπ/s,其中n为自然数。

3.根据权利要求2所述的CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程为：

将填充均匀矩形梳齿的平行板波导等效为特性阻抗为Z_c的传输线，横向辐射枝节等效为串联在传输线上的阻抗Z_s，建立CTS/VICTS天线的等效电路模型；

慢波加载的平行板波导中，传播常数为β^unp的慢波为导行波，天线主要以‐1次谐波为漏波进行辐射，横向辐射枝节辐射条件下的传播常数由Bloch理论得到：

<mrow> <mi>cosh</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>x</mi> <mi>B</mi> </msubsup> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msup> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>j</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mover> <mi>Z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>s</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msup> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中，是‐1次谐波的复传播常数，为衰减系数，d是天线阵列单元间距，

4.根据权利要求3所述的CTS天线和VICTS天线慢波结构设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现过程为：

步骤401，根据VICTS天线设计要求，选择平行板波导高度变化的策略，以达到副瓣电平控制或是最大辐射效率；

根据式(3)计算出某一频率下的波束扫描角度θ₀与等效介电常数之间的关系，β₀是该频率下的自由空间传播常数，通过系统指标θ₀确定需要固定的等效介电常数ε_e；

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

步骤402，根据已经确定的平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数基础上，选定需要调节的矩形梳齿的结构参数；在步骤3得到的映射关系中，代入平行板波导高度变化函数和需要固定的等效介电常数，即可得到随着能量传播过程中，矩形梳齿参数的变化曲线。