S波段圆波导缝隙全向天线的设计

方正新 张立新

(中国电子科技集团公司第38研究所 合肥 230088)

1 引言

缝隙天线阵元的形式多种多样[1，2]，这是由于波导场分布的特点使单个缝隙天线(阵元)的位置比较灵活，甚至只要附加适当的激励元件，就可使在不同辐射位置上的缝隙也变成辐射元。

通常我们为了增强缝隙天线的方向性，在圆波导的侧壁上按一定规律开多条尺寸相同的缝隙，即构成圆波导缝隙天线阵[3，4]。

圆波导缝隙阵列天线具有机械强度好、结构紧凑、辐射效率高、耐腐蚀、便于加工等一系列优点，因而在雷达、微波通信以及电视广播系统中广泛使用。

水平极化圆波导缝隙天线可以在L、S、C、X等波段广泛实现，在低于或高于以上波段时因为体积或加工精度要求等方面原因，就不建议采用这种形式了。

本文将圆波导缝隙天线用于实现S波段全向天线，实测结果显示，在360°范围内起伏很小，满足了全向性要求，设计取得了成功并顺利应用到了雷达产品中。

2 天线设计和仿真

缝隙阵列天线可分为谐振阵列(驻波阵)和非谐振阵列(行波阵)两种形式[5～11]。我们这里设计成功的圆波导缝隙天线属于驻波天线的范畴，具体来说，这类天线一般在圆波导的一周均匀加工6～7个纵向缝隙，合理选择圆波导的内径φ值，使得相邻缝隙间距约为λg/2，每个缝长度约为λ/2，缝宽取2～3mm，终端放置短路板，短路板距终端缝隙中心约为λg/2，在每个缝的中心位置的一侧装有激励探针，于是天线阵的各缝隙单元被同相激励，波导系统处于谐振状态，最大辐射方向与波导表面垂直。我们这里按6个纵向缝隙来设计，为了获得更高的增益，设计了两排缝隙阵列，圆波导缝隙天线结构图如图1所示，圆波导缝隙天线俯视图如图2所示。

在初步计算了天线的各项基本参数后，借助射频仿真软件Ansoft HFSS对天线进行了仿真分析和优化，分别得出圆波导内径φ=100mm，L1=47mm，L2=143mm，L3=57mm，L4=51mm。由于探针伸出圆波导长度对天线的性能影响十分敏感，其尺寸留待测试过程中确定，探针的粗细对天线的电性能影响不明显，这里取探针的直径为3mm进行设计。

3 测试结果

根据上述优化计算尺寸加工出了天线单元，经测试发现，在有关尺寸确定后，探针伸出圆波导的长短对天线的性能影响明显，主要表现在驻波变化、方位面幅度起伏即全向性变化等方面，其影响见表1所示。经综合权衡，最终取探针伸出圆波导长度为23mm。图3为电压驻波比测试与仿真计算结果对比曲线。图4为天线在频带内高、中、低频率点测试的E面、H面远场辐射方向图。由图3可以看出，在设计要求的2.7～3.0GHz频带范围内，电压驻波比都能小于1.6。由图3可以看出在360°范围内天线具有很好的全向性，整个频带内E面远场辐射方向图幅度起伏不超过1.9dB。

表1 探针伸出圆波导长度对天线性能的影响

图3 圆波导缝隙天线电压驻波比测试与仿真曲线对比

图4 天线远场辐射方向图测试曲线

4 结论

本文设计了一种S波段圆波导缝隙全向天线，该天线方位面在360°范围内幅度起伏小，具有很好的全向特性，目前天线已成功地应用到了雷达产品中。

[1]Elliott R.S.Antenna theory and design.Englewood Cliffs[C]，NJ:Prentice Hall，1981.

[2]Cheng-geng Jan，Powen Hsu.Moment method analysis of sidewall inclined slots in rectangular waveguides[J].IEEE Trans.On Antennas and Propagation，1991，39(1):68 ～ 73.

[3]廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社，1994.

[4]林昌禄，聂在平等.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社，2002.

[5]张祖稷，金林，束咸荣.雷达天线技术[M].北京:电子工业出版社，2005.

[6]汪伟，金剑，钟顺时.宽频带膜片激励波导窄边非倾斜缝隙阵天线[J].微波学报，2005，21(5):30～33.

[7]马汉炎.天线技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997.

[8]郑琨，王英民，曲少春.波导缝隙全向天线设计与仿真[J].计算机仿真，2010，27(8):316～319，324.

[9]杨倩，李迎松，杨晓冬，李晓川，刘乘源.波导缝隙全向天线设计与分析[J].应用科技，2010，37(1):19 ～22.

[10]谢艳萍，郭庆功.C波段波导缝隙全向天线的设计与实现[J].信息与电子工程，2007，5(2):119～122.

[11]官伟，孙绍国.X波段宽带微带偶极子天线[J].火控雷达技术，2012，41(1):63 ～66.