Ku波段波导缝隙全向天线设计

魏文博,张洪涛（中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088）



Ku波段波导缝隙全向天线设计

魏文博,张洪涛
（中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088）

摘 要：本文介绍了一种新颖的Ku波段波导缝隙全向天线设计，该天线通过在圆波导柱面上开凿一定数量的倾斜纵向缝隙，组成缝隙阵列。经过优化设计和仿真，天线在方位面360º范围内，增益起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，天线增益大于7.5dB，可用于雷达、基站通信等系统中。

关键词：圆波导；缝隙阵；全向；天线

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。

通常为了增强缝隙天线的方向性，在圆波导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。

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、微波通信以及广播电视系统中广泛使用。

对于波导缝隙全向天线，传统的设计方法主要有三种，第一种是单根矩形波导双面开设辐射缝隙的全向天线［1］，这种天线增益可达10dB以上，但是水平不圆度较差，在水平面增益差达2dB以上。第二种是由梯形波导缝隙天线组成的圆环阵［2］，增益可以达到10dB以上，方位面不圆度小于6.5dB，这种中心馈电的波导缝隙圆环阵，结构复杂，加工难度较大。第三种是在圆波导的侧壁上开凿纵向辐射缝隙，通过调谐激励探针的方法来激励辐射缝隙，从而实现全向天线的性能［3］，这种全向天线的不圆度较好，但是其增益一般只能做到5dB以下，并且结构比较复杂。

本文提出了一种新颖的波导缝隙全向天线设计，在圆波导侧壁上开设一系列的倾斜纵向辐射缝隙，仿真结果显示，在方位面360º范围内增益起伏小于0.5dB，方位面不圆度较好，天线增益优于7.5dB，可用于雷达和基站通信系统中。

2 波导缝隙全向天线设计

波导缝隙阵列天线可分为谐振阵列天线（驻波阵）和非谐振阵列天线（行波阵）两种形式。我们这里设计的波导缝隙全向天线属于波导缝隙谐振阵列天线的范畴，具体来说，这类天线一般在圆波导的一周均匀加工6～8个纵向缝隙，已实现全向性的要求。合理选择圆波导的内径Ø值，使得相邻缝隙间间距约为λg/2，每个缝隙的长度约为λ/2，其中λg为波导的工作波长，λ为自由空间工作波长，缝宽一般取2～3mm，终端设置短路板，短路板距终端缝隙中心约为λg/2，缝隙的倾角为θ，于是天线阵的各缝隙单元被同相激励，波导处于谐振状态，最大辐射方向与波导表面垂直。

这里圆波导的一周按照6个倾斜纵向辐射缝隙来设计，为获得更高的增益，设计了4排缝隙阵列，全向波导缝隙阵列天线结构示意图如图1所示。

3 设计结果

对于该全向波导缝隙天线，采用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行了全波仿真分析，辐射缝隙的长度为10mm，缝隙的倾角为20度，圆波导的内壁直径为22mm，波导的壁厚为1mm。图2给出了中心频点的立体方向图，可以看出天线的全向性非常好。

图3所示为天线的回波损耗仿真曲线，由仿真结果可以看出，在频段14.2-15.6GHz的带宽内，天线的回波损耗小于-10dB。

图4为天线在频带内低、中、高频率点仿真的E面、H面远场辐射方向图。由图可以看出，在整个频带内，天线在方位面360º范围内具有很好的全向性，不圆度小于0.5dB。

4 结论

本文设计了一种Ku波段波导缝隙全向天线，该天线在圆波导上开设倾斜的纵向缝隙，结构简单，易加工，在方位面360度内起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，可应用在雷达、通信等系统中。

参考文献：

［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（01）：68-73．

［3］.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，2007,2（05）：119-122.

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

［5］方正新，张立新.S波段圆波导缝隙全向天线的设计［J］.火控雷达技术,2013,1（42）：79-81.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.191

作者简介：魏文博（1979-）， 男，陕西宝鸡人，博士，高级工程师，主要从事雷达总体设计及天线技术研究。