单馈等功分周视压缩波导缝隙天线

王　震，张　珂，王大鹏，徐利平

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)



单馈等功分周视压缩波导缝隙天线

王震，张珂，王大鹏，徐利平

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

针对无线电引信波导缝隙天线和馈电网络不满足小型化、一体化设计的问题，提出单馈等功分周视压缩波导缝隙天线。该天线由压缩波导缝隙阵列和E-T波导分支构成，谐振式工作，采用单馈输入等功率分配及双辐射阵元面，实现功分网络与天线一体化；通过对E-T波导分支增加尖劈结构改进，两天线间隔离度提高4 dB。经Taylor综合法优化缝隙分布，优化后较均匀分布主副瓣比提高4.5 dB。实测结果表明该天线最大增益13.05 dB、H面宽度23°、E面最大零深宽度≤10°，与仿真结果基本一致。

波导缝隙天线；压缩波导；等功分；周向探测

0　引言

波导缝隙馈电的缝隙天线自第二次世界大战以后有很大发展，它广泛应用于地面、舰载、机载、导航、气象、信标和弹载雷达等领域。相比于其他种类天线，其具有承受功率高、平面结构、机械强度高、效率高、低副瓣等特点[1]；随着对雷达抗干扰要求提高、脉冲多普勒可视雷达的发展、大功率脉冲无线电引信需求增加，要求天线应具有高承受功率、低副瓣等性能，波导缝隙天线成为优选形式；相关资料显示俄罗斯“R-73”及美国“霍克”导弹的无线电引信均采用波导缝隙天线。

目前现有引信用波导缝隙天线一般沿弹体对称安装，每个天线独立设计并单独馈电，因此发射机能量馈入两天线需要经过波导同轴转换、同轴功分、同轴线传输等过程，转换过程中容易产生高次模和增加损耗，相位和幅度的一致性也难以保证，同时由于多次波同转换使天线系统过于复杂，降低了系统可靠性和增加体积。基于以上原因，本文提出单馈等功分周视压缩波导缝隙天线。

1　压缩波导缝隙的电导

波导是缝隙天线的良好传输线和馈电线，自身结构封闭，虽然波导内阻抗不恒定，但其高阻抗值与半波缝隙高阻抗特性易于匹配[2]。矩形波导内电磁场主要以最低阶模TE10模传输，当波导宽边存在纵向缝隙时，缝隙切断波导壁上的电流，波导内的场激励该缝隙，缝隙成为波导传输线上的负载，向外辐射能量。

矩形波导内的TE10模式场如解析式(1)描述[3]：

因为波在波导中电磁交变传输，波导波长λg，对于天线设计非常重要。

波导内波长：

(2)

电磁波沿波导传输过程中TE10模电流分布如图1所示；当宽边纵向开缝时，引起纵向电流的突变，等效为波导传输线上的并联导纳，如图2所示。

图1　矩形波导TE10模内表面电流分布Fig.1　The current distribution on internal surface in TE10 model of rectangular waveguide

图2　纵向缝隙并联电导等效模型Fig.2　The shunt conductance equivalent model of vertical gap

AF.Stevenson利用互易定理推导出缝隙前后向散射场，并利用波导中功率平衡方程计算缝隙的等效电导或电阻[4]。文献[5]中描述的波导中的功率关系和对偶原理推导纵向缝隙电导，其理论模型建立在缝隙为理想窄缝隙条件下，波导为理想导体且忽略壁厚。经过推导得到纵向缝隙的等效模型归一化电导为：

(3)

压缩波导为在标准矩形波导基础上对其窄边b宽度进行缩减，以缩小天线体积，适合于低剖面环境下使用。根据公式(1)、(2)、(3)分析，压缩波导与矩形波导的波导波长λg相同，但归一化等效电导由于b值减少而变大，因此压缩波导缝隙天线缝隙分布较标准波导天线靠近宽边中心线；同时由于窄边b被压缩，波导内TE10模电场击穿强度降低，波导功率容限下降，天线设计中应考虑最高承受功率。

2　单馈等功分周视波导缝隙天线

单馈等功分周视波导缝隙天线由尖劈等功分E-T波导分支网络和双波导缝隙天线阵面组成。为进一步缩减天线体积，采用压缩波导内腔尺寸为22.86mm×5mm，较标准波导BJ100的尺寸22.86mm×10.16mm缩小1倍。为分析整体天线性能，建立双阵元面和E-T波导分支节的一体化天线模型，并对其进行有限元网格划分。

2.1尖劈等功分E-T波导分支网络

为实现沿弹体的周向探测，天线两阵元面对称安装于弹壁两侧，同时为保证周向探测的覆盖性，天线两阵元面馈电功率应相同。因此天线设计过程中首先要考虑两阵元面的馈电方式，基于天线接口形式、驻波特性及功率分配路径损耗等原因，选用E-T形分支结构，其H10波电场E平行于窄边，具体结构及等效电路如图3所示。E-T波导分支由于反对称电场激励，因此会在1、2两个波导中激励等幅度反向波。

图3所示T型波导结构电磁场能量传输中在分支处不可避免的会出现高次模式的截止场[6]，因此为减少高次模式影响，对原有结构改进，在T型结构处加入金属尖劈，同时可以提高1、2端口的隔离度。图4中(a)为无尖劈的模型图及波导内电场强度，(b)为尖劈条件下的模型图及电场强度。尖劈位于波导分支处，沿3端口宽边横向分布，尖劈角度为90°，其材料与波导壁相同均为铝。

图3　E-T波导分支及其简化等效电路Fig.3　E-T waveguide branch and simplified equivalent circuit

图4　T型波导功分模型及电场强度分析Fig.4　The model of power distribution of T shaped waveguide and the analyze of electric field intensity

经过有限元仿真分析，改进后1、2端口隔离度比改进前提高4dB，1、2端口功率不平衡度≤0.1dB，3端口驻波VSWR≤1.2。

2.2天线阵面

该天线为谐振工作方式，天线终端为金属短路面，波导内电磁场呈现驻波状态，天线模型及等效电路如图5所示。裂缝间距dx=λg/2，短路面距末端缝中心为λg，缝隙总是位于驻波电压的波峰点[7]，由于波导壁表面电流相位相反，因此相邻缝隙纵向排列于中心线两侧，驻波阵天线主瓣方向图与阵面法相一致。

图5　宽边纵向非谐振缝隙阵及等效电路Fig.5　unresonant broadbrim verticalgap array and the equivalent circuit

根据天线设计方向图指标要求及安装尺寸，由公式(4)计算缝隙数量为3个。由AF.Stevenson电导缝隙归一化计算方法，结合公式(3)、(5)确定缝隙均匀排列时中心偏移量。

(4)

(5)

经过计算，均匀分布缝隙偏移宽边中心线距离如表1所示。

表1　均匀分布缝隙偏移量

缝隙长度理论值为λ/2 ，实际由于受腔体壁厚和缝隙宽度的影响一般取0.48λ，然而缝隙加工一般使用铣床来完成，缝隙两端为半圆头，经过大量测试半圆头缝隙的谐振长度可以用以下近似公式表示：

lres=0.48λ+cw(1-π/4)

(6)

式中w为缝隙宽度，c为修正系数，由实际情况决定。

2.3天线整体模型

该天线两阵元面沿弹壁两侧对称分布，工作方式为单点馈电双支路发射，实现沿弹体周向探测；结合以上对E-T型波导功分网络分析和天线阵元面的分析，建立发射天线整体模型，并使用HFSS软件对整体模型进行网格划分，缝隙和馈电部分进行网格细化，以提高后续的仿真精度。图6为发射天线整体模型及网格剖分[8]。

图6　发射天线整体模型及有限元分析网格划分Fig.6　The overall model of transmitting antenna and the mesh generation of finite element analysis

3　天线仿真优化及实测

对天线进行有限元分析，均匀分布条件下其H面仿真方向图如图7所示。

图7　均匀分布H面天线仿真方向图Fig.7　The emulational magnetic field section antenna pattern using uniform distribution

仿真结果显示，天线增益G=12.21dB，主副瓣电平比SLL=11.5dB，主瓣3dB宽度23°，驻波VSWR≤1.5的带宽为X±260MHz。

在缝隙均匀分布条件下，天线方向图并没有达到最优状态，因此采用Taylor综合法进行缝隙分布优化，优化后的缝隙偏移宽边中心线距离如表2所示。

表2　均匀分布缝隙偏移量

优化后的H、E面仿真方向图如图8所示。

仿真结果显示，优化后天线增益G=12.18 dB，主副瓣电平比SLL=15.6 dB，主瓣3 dB宽度22°，周向方向图最大零深≤15°。经过对比采用Taylor综合法优化后天线主副瓣电平比改善4.5 dB，增益相差0.03 dB，主瓣宽度改善1°，工作带宽与优化前基本一致。

根据优化后仿真模型尺寸加工天线，实物如图9所示，实测三维方向图如图10所示，E面(垂直于弹轴)方向图见图11(左)，H面(弹轴方向)增益方向图见图11(右)，实测发射天线中心频率X时主瓣最大增益为13.05 dB，H面宽度23°，E面最大零深宽度≤10°，满足周向探测要求，实测结果表明方向图指标与仿真基本一致。

图8　泰勒综合分布发射天线仿真方向图Fig.8　The emulational transmitting antennapattern using Taylor integrated distribution

图9　发射天线实物图Fig.9　The full-scale figure of transmitting antenna

图10　发射天线三维方向图Fig.10　The three-dimensional antenna pattern of transmitting

图11　发射天线E面方向图(左)和H面方向图(右)Fig.11　The electric field section antenna pattern (left) and magnetic field section antenna pattern (right) for transmitting antenna

4　结论

本文提出单馈等功分周视压缩波导缝隙天线。该天线采用E-T波导分支结构实现双阵元面的等功率分配，实现沿弹轴方向的周向探测。通过在E-T波导分支处加入尖劈结构，减少高次模式的影响，改善功分输入端口的驻波特性和传输端口的隔离特性；完成天线的功分网络及双阵元面的一体化、小型化结构设计。通过仿真验证，采用尖劈结构的E-T波导分支两输出端口隔离度提高4 dB；通过Taylor综合法对缝隙进行优化后主副瓣比SLL改善4.5 dB；经实测天线周向零深最大宽度≤10°、最大增益13.05 dB、H面宽度23°，与仿真结果基本一致。该引信天线满足在波导单馈输入及弹壁安装条件下的引信周向探测应用需求，通过波导分支与缝隙天线的一体化设计缩小天线尺寸并降低转换损耗。

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[8]Brown K W.Design of waveguide slotted arrays using commericially available finite element analysis softwave[C]// AP-S international symposium, 1996: 1000-1003.

Compression Waveguide Slot Antenna Using Single-feed and Equal-power for Circumferential Detection

WANG Zhen，ZHANG Ke, WANG Dapeng，XU Liping

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China)

Aiming at the problem that the waveguide slot antenna and the feeding network for radio fuze hardly meet the needs of miniaturization and integration design, the paper presents a kind of compression waveguide slot antenna using single-feed and equal-power for circumferential detection. The antenna is composed of a compression waveguide slot array and a E-T waveguide branch. The integration design of power distribution network and the antenna is realized using the single feed input with equal-power power distribution and dual radiation array. The isolation between two antennas is improved by 4 db through modified E-T waveguide branch using wedge structure. The ratio of the main and side lobe is improved by 4.5 db through optimizing slot distribution using Taylor method. The measured results show that the antenna maximum gain is 13.05dB, H plane width is 23 degrees, e maximum zero depth width is less than or equal to 10 degrees, which shows a good agreement with the simulation results.

waveguide slot antenna, compression waveguide, equal-power , circumferential detection；

2016-03-02

王震(1984—)，男，黑龙江鹤岗人，硕士，研究方向：无线电近炸引信系统及微波电路、天线设计。E-mail:wang201026@163.com。

TN823

A

1008-1194(2016)04-0047-05

项目来源：兵器工业集团公司资本金项目(JBK0715)