CN115995696A - 一种缝隙线阵天线及其设计方法 - Google Patents

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何义奎
宋科
帅翔
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Abstract

本发明公开了一种缝隙线阵天线及其设计方法，属于天线设计领域。缝隙线阵天线的设计方法，包括：确定辐射缝的缝宽；生成第一曲线和第二曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线；计算各辐射缝的导纳分布；根据所述导纳分布、第一曲线和第二曲线确定各辐射缝的几何参数，所述辐射缝的几何参数包括辐射缝的谐振缝长和辐射缝的偏置；根据所述辐射缝的缝宽、谐振缝长和偏置制作缝隙线阵天线。本发明的方法设计得到的缝隙线阵天线更加准确，相关指标更加接近理论值。

Description

一种缝隙线阵天线及其设计方法
技术领域
本发明属于天线设计领域，特别是涉及一种缝隙线阵天线及其设计方法。
背景技术
现在设计缝隙线阵天线时常利用单缝的导纳参数来获取相关的设计参数，但是这种方法得到的天线的方向图副瓣电平与理论值相差较大，而且驻波系数也较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种缝隙线阵天线及其设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
根据本发明的第一方面，一种缝隙线阵天线的设计方法，包括：
确定辐射缝的缝宽；
生成第一曲线和第二曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线；
计算各辐射缝的导纳分布；
根据所述导纳分布、第一曲线和第二曲线确定各辐射缝的几何参数，所述辐射缝的几何参数包括辐射缝的谐振缝长和辐射缝的偏置；
根据所述辐射缝的缝宽、谐振缝长和偏置制作缝隙线阵天线。
进一步地，生成第一曲线和第二曲线，包括：
提取多组谐振参数，每组谐振参数包括辐射缝的偏置、辐射缝的谐振缝长和辐射缝的有源导纳；
基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第一曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线；
基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第二曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线。
进一步地，所述谐振参数的提取方法包括：
构建一个波导模型，所述波导模型的一端短路，所述波导模型的另一端为端口；
在所述波导模型上设置辐射缝，所述波导模型上所有辐射缝的偏置相同，所述波导模型上所有辐射缝的缝长相同；
调节波导模型上所有辐射缝的缝长，记录端口处的参数的虚部为零时的偏置、值和缝长，并基于公式一将值转换为有源导纳，其中，参数为驻波阵的端口反射系数；
  （公式一）
式中，y为有源导纳，N为辐射缝的数量。
进一步地，计算各辐射缝的导纳分布，包括：
基于公式二和公式三，通过Matlab编程综合出阵面口径激励分布；
式中，A和均为常数；
取，将阵面口径激励分布转化为各辐射缝的导纳分布。
进一步地，确定辐射缝的缝宽，包括：
根据功率容量、频段以及加工精度确定辐射缝的缝宽。
根据本发明的第二方面，一种缝隙线阵天线，由本发明第一方面所述的缝隙线阵天线的设计方法制得。
进一步地，所述缝隙线阵天线包括辐射波导，所述辐射波导上设置有多个辐射缝，所述辐射缝沿辐射波导的中心线排列，所述辐射缝分布在辐射波导的中心线两侧，相邻辐射缝位于辐射波导的中心线两侧。
本发明的有益效果是：本发明中采用线阵提取有源导纳，考虑了缝隙单元之间的内外部互耦影响，使得设计得到的缝隙线阵天线更加准确，和理论值更加接近。
附图说明
图1为本发明中缝隙线阵天线的设计方法的一个流程图；
图2为一个实施例中的泰勒分布曲线；
图3为一个实施例中线阵对应的导纳分布曲线；
图4为一个实施例中的线阵方向图；
图5为一个实施例中的有源导纳随偏置变化的曲线；
图6为一个实施例中的谐振缝长随偏置变化的曲线；
图7为一个实施例中的缝隙线阵的H面方向图；
图8为采用孤立缝提取的偏置和谐振缝长设计的线阵天线的H面方向图；
图9为一个实施例中的制得的缝隙线阵天线模型；
图中，1—辐射波导，2—辐射缝。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图9，本实施例提供了一种缝隙线阵天线及其设计方法：
本发明提供的一种缝隙线阵天线的设计方法的一个实施例包括：如图1所示，一种缝隙线阵天线的设计方法，包括：
S100. 确定辐射缝2的缝宽。
在一个实施例中，根据功率容量、频段以及加工精度确定辐射缝2的缝宽。
一般的，可以将辐射波导1上所有辐射缝2的缝宽设置为相同。例如，设计一个12单元的缝隙线阵天线时将所有辐射缝2的缝宽设置为0.6mm。
S200. 生成第一曲线和第二曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线。
在一个实施例中，生成第一曲线和第二曲线，包括：
S210.提取多组谐振参数，每组谐振参数包括辐射缝2的偏置、辐射缝2的谐振缝长和辐射缝2的有源导纳。
在一个实施例中，所述谐振参数的提取方法包括：
S211.构建一个波导模型，所述波导模型的一端短路，所述波导模型的另一端为端口。
S212.在所述波导模型上设置辐射缝2，所述波导模型上所有辐射缝2的偏置相同，所述波导模型上所有辐射缝2的缝长相同。
所述辐射缝2的缝宽为S100中确定缝宽。
S213.调节波导模型上所有辐射缝的缝长，记录端口处的参数的虚部为零时的偏置、值和缝长，并基于公式一将值转换为有源导纳，其中，参数为驻波阵的端口反射系数；
  （公式一）
式中，y为有源导纳，N为辐射缝的数量。
多次重复执行S210，每次设置不同的偏置，即可得到多组谐振参数。
S220.基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第一曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线。
S230.基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第二曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线。
一般的，本实施例对步骤S220和步骤S230执行的先后顺序不做限定，步骤S220和步骤S230可以同时执行，也可以步骤S220先于步骤S230执行，也可以步骤S230先于步骤S220执行。
S300.计算各辐射缝2的导纳分布。
在一个实施例中，计算各辐射缝2的导纳分布，包括：
S310.基于公式二和公式三，通过Matlab编程综合出阵面口径激励分布；
式中，A和均为常数；
其中，主副瓣电平比为
得
若令
则
这样就可以用主副瓣电平比来确定参数B。
对于函数，其主瓣两侧各有N个零点N-1个等副瓣，现在把这些零点扩充为无穷多个，可得具有无穷多个副瓣的理想空间因子为
令
于是得
由公式
则有
式中
对于一个长度为L的连续线源，其空间因子（即方向图函数）可由式（公式十三）表示为
此时即为理想的空间因子。
主瓣最大值（可调）。
为波瓣展宽因子。
S320.取，将阵面口径激励分布转化为各辐射缝2的导纳分布。
S400.根据所述导纳分布、第一曲线和第二曲线确定各辐射缝2的几何参数，所述辐射缝2的几何参数包括辐射缝2的谐振缝长和辐射缝2的偏置。
具体的，根据所述导纳分布计算出每个辐射缝2的有源导纳，然后根据每个辐射缝2的有源导纳从第一曲线中查出各辐射缝2对应的偏置，以及根据各辐射缝2的偏置从第二曲线中查出各辐射缝2的谐振缝长。
S500.根据所述辐射缝2的缝宽、谐振缝长和偏置制作缝隙线阵天线。
以涉及一个单元数（辐射缝2的数量）为12的缝隙线阵天线设计为例对本实施例的方法进行举例说明。
首先，采用泰勒分布设计一个单元数 N=12的泰勒线阵，取单元间距d=5.365mm，副瓣电平为 SLL=-28dB，。
由公式十六综合得到的泰勒分布曲线如图2所示，图2中横坐标n为整数，表示单元的序号。
式中，，为直线阵中第 n个单元的位置，为阵列长度，为泰勒空间因子(方向图)紧靠主瓣的等副瓣个数，，。
由公式十七及图2的泰勒口径分布，可得线阵对应的导纳分布曲线如图3所示。
由公式十八可得线阵方向图如图4所示，图4的横坐标表示角度。其半功率波瓣宽度为8.35°，副瓣电平为-28dB，与设计一致。
建立一个7单元缝隙模型，使其偏置 x和缝长 l相同，并能同时改变。
在矩形波导宽边一半的范围内改变偏置 x(所有缝相同)进行仿真分析，改变缝长 l使线阵波导的虚部为零，此时的缝长可看作为谐振缝长。
由反射系数和公式一计算出有源导纳。这时得到的导纳可以认为缝隙的谐振导纳。
重复上面的步骤即可得到一系列偏置、谐振缝长和有源导纳的关系。利用插值方法建立关系曲线（有源导纳随偏置变化的曲线）和关系曲线（谐振缝长随偏置变化的曲线），如图5和图6所示，图5的横坐标表示偏置。
由公式五对给定的线阵口径分布计算每个辐射缝2的导纳值。
由关系曲线和关系曲线确定线阵中各辐射缝2的偏置和谐振缝长。
由本实施例方法设计的缝隙线阵的H面方向图如图7所示，图7的横坐标表示角度。
采用孤立缝提取的偏置和谐振缝长设计的一根波导宽边纵缝12单元线阵天线的H面方向图如图8所示（图8的横坐标表示角度）。
通过上面的对比可以看出，本实施例中提取有源导纳的方法考虑了缝隙单元之间的内外部互耦影响，使得设计的12单元缝隙线阵更准确，仿真结果和理论值非常接近。如方向图副瓣电平为-27dB，与理论值-28dB只相差约1dB。而且输入驻波在带宽内也要小些，在1.2以内。
根据所述辐射缝2的缝宽、谐振缝长和偏置制作缝隙线阵天线，制得的缝隙线阵天线如图9所示。
本发明提供的一种缝隙线阵天线的一个实施例包括：一种缝隙线阵天线，由上述实施例所述的缝隙线阵天线的设计方法制得。
在一个实施例中，所述缝隙线阵天线包括辐射波导1，所述辐射波导1上设置有多个辐射缝2，所述辐射缝2沿辐射波导1的中心线排列，所述辐射缝2分布在辐射波导1的中心线两侧，相邻辐射缝2位于辐射波导1的中心线两侧。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种缝隙线阵天线的设计方法，其特征在于，包括：
确定辐射缝的缝宽；
生成第一曲线和第二曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线；
计算各辐射缝的导纳分布；
根据所述导纳分布、第一曲线和第二曲线确定各辐射缝的几何参数，所述辐射缝的几何参数包括辐射缝的谐振缝长和辐射缝的偏置；
根据所述辐射缝的缝宽、谐振缝长和偏置制作缝隙线阵天线。
2.根据权利要求1所述的一种缝隙线阵天线的设计方法，其特征在于，生成第一曲线和第二曲线，包括：
提取多组谐振参数，每组谐振参数包括辐射缝的偏置、辐射缝的谐振缝长和辐射缝的有源导纳；
基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第一曲线，所述第一曲线为有源导纳随偏置变化的曲线；
基于多组谐振参数，利用差值方法拟合出第二曲线，所述第二曲线为谐振缝长随偏置变化的曲线。
3.根据权利要求2所述的一种缝隙线阵天线的设计方法，其特征在于，所述谐振参数的提取方法包括：
构建一个波导模型，所述波导模型的一端短路，所述波导模型的另一端为端口；
在所述波导模型上设置辐射缝，所述波导模型上所有辐射缝的偏置相同，所述波导模型上所有辐射缝的缝长相同；
调节波导模型上所有辐射缝的缝长，记录端口处的参数的虚部为零时的偏置、值和缝长，并基于公式一将值转换为有源导纳，其中，参数为驻波阵的端口反射系数；
  （公式一）
式中，y为有源导纳，N为辐射缝的数量。
4.根据权利要求1所述的一种缝隙线阵天线的设计方法，其特征在于，计算各辐射缝的导纳分布，包括：
基于公式二和公式三，通过Matlab编程综合出阵面口径激励分布；
式中，A和均为常数；
取，将阵面口径激励分布转化为各辐射缝的导纳分布。
5.根据权利要求1所述的一种缝隙线阵天线的设计方法，其特征在于，确定辐射缝的缝宽，包括：
根据功率容量、频段以及加工精度确定辐射缝的缝宽。
6.一种缝隙线阵天线，其特征在于，由权利要求1-5任意一项所述的缝隙线阵天线的设计方法制得。
7.根据权利要求6所述的一种缝隙线阵天线，其特征在于，所述缝隙线阵天线包括辐射波导，所述辐射波导上设置有多个辐射缝，所述辐射缝沿辐射波导的中心线排列，所述辐射缝分布在辐射波导的中心线两侧，相邻辐射缝位于辐射波导的中心线两侧。
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