L波段宽带超低副瓣波导缝隙阵列天线设计*

陈良圣

（安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

相比于偶极子平面阵列天线等天线形式，波导窄边裂缝阵列天线具有功率容量大﹑辐射效率高﹑宽垂直波束﹑窄水平波束和易于实现低副瓣和赋形波束等优点，广泛应用于雷达和微波通信系统中。特别对于岸基监视雷达和船用导航雷达，要求在颠簸的情况下实现垂直面的覆盖，同时在水平面满足高精度定位和抗干扰能力[1]。此时，波导窄边裂缝阵列天线具有明显的优势。

对雷达来说，应付干扰源和ARM的有效方法一般有两种：一是尽量降低雷达天线的副瓣电平；二是宽频带内的频率捷变技术和可变重复周期技术[2]。如何实现波导窄边裂缝阵列天线的宽频带和极低副瓣，国内外学者进行了大量研究，但受算法和加工误差等因素影响，实现超低副瓣仍存在诸多困难[3-4]。

综上所述，本文在对波导窄边裂缝阵列天线的关键技术进行分析的基础上，设计制作了一款L波段超低副瓣波导裂缝阵列天线。实测结果表明，该天线副瓣电平远低于-42 dB，优于现有许多设计指标，且具有增益高﹑频带宽和水平波束窄等优点，能够很好地满足岸基监视和船用导航等雷达的设计需求。

1 关键技术分析

1.1 缝间距、线源间距选择

在波导窄边上开倾斜裂缝，破坏了波导内的行波状态，使开缝处产生反射波，而各裂缝反射波在波导输入端形成总反射。缝隙间距dx决定了相邻缝隙之间的相位差，因而将决定天线的输入驻波比。一般根据式（1）选择缝隙间距：

波导裂缝线阵间的距离要遵守在实空间中不出现栅瓣边缘的准则。该准则常用公式表示如下：

式中：λmin是频段内的最短工作波长，θmax是波束相对于阵面法向的最大扫描角，Δ=1/NP，NP是裂缝线源数[5]。

1.2 缝隙宽度选择

缝隙宽度由线阵的耐功率要求和工作频带宽度确定。裂缝越宽，线阵耐功率能力越好，工作频带也越宽。一般缝隙宽度近似满足以下不等式：

1.3 阵中缝隙有源导纳的提取

阵中波导裂缝导纳与裂缝几何参数的关系，是设计波导裂缝线阵的主要依据，通常分为理论计算法和实验测试法。因裂缝间内部互耦和外部互耦对该缝的谐振频率﹑谐振电导和电纳的影响，导致阵中裂缝谐振导纳的理论分析具有不准确性和近似性。实验测试法是精确确定阵中裂缝谐振导纳十分有效的方法，但由于低副瓣波导裂缝线阵中的缝数很多，要精确测试所有倾角的谐振电导，成本高﹑工作量巨大，且当倾角很小时由于被测量小而测不准。因而，本文采用实测与理论分析相结合的方法，在一定规模小阵中测量多个缝隙的阵中平均导纳值。测得了少数几种倾角裂缝的平均导纳值后，再对理论分析模型进行适当修正，从而确定整个线阵中所有裂缝的几何参数，完成低副瓣裂缝线阵的设计。

对于有N个倾角﹑宽度﹑长度间距均相等的开缝波导，可将其等效为双线上并联N个归一化导纳的二端口网络，如图1所示。

图1 波导窄壁缝隙阵及其等效电路

根据传输线理论，有：

当缝数＞20时，可忽略边缘效应，被测缝隙波导的总传输矩阵为：

式中：

式中，y是缝隙的归一化导纳，g是电导，b是电纳，β是矩形波导中主模的传输常数，λg是主模的导波长，可以通过软件仿真求得。

令总的传输矩阵[T]为：

而散射矩阵参量与传输矩阵参量之间的关系为：

测得缝隙波导的复数散射参数S21，将式（3）～式（8）代入式（2），再利用式（9）～式（11）就可以得到关于缝隙的电导和电纳的一个联立方程组，从而可解得阵中缝隙的电导和电纳值。由于测试是在一定频率范围内进行的，故得到的是阵中缝隙的电导和电纳随频率的变化关系。根据实验和仿真计算，得到几组不同角度的谐振电导与谐振长度。由这些数据可拟合两条曲线：缝电导随倾角的拟合曲线g(θ)和缝深随倾角的拟合曲线l(θ)。通过曲线拟合，得到任一电导对应的缝的倾角，每一倾角对应一个缝深。

2 天线设计

雷达工作频段为L波段。考虑到该雷达的低副瓣要求，采用标准矩形波导BJ14，口径为165.1 mm×82.55 mm。

阵面组成示意图如图2所示，共由30根行线源组成。根据阵面增益要求，线源间距定为dy=135 mm，俯仰口径Ly=135 mm×30=4 050 mm；综合分析取缝宽w=15 mm，缝间距dx=128 mm。考虑波束宽度指标要求，每条行馈上开72个缝隙，水平方向有效口径Lx=128 mm×72=9 216 mm。为了抑制交叉极化的影响，设计时采用较小的裂缝倾角分布，且相邻行线源之间的裂缝倒置安放。由于本天线系统频带较宽，且水平电口径较小，设计时需折衷考虑带宽拓展与交叉极化抑制的矛盾。

图2 阵面组成

2.1 缝隙导纳测试

选用五根等长开有72个裂缝的矩形波导组成试验小阵，所有裂缝的宽度﹑倾角及缝间距均相等。选择小角度4°﹑7°﹑10°和大角度15°﹑19°﹑23°六种倾角的裂缝进行阵中裂缝导纳测试，测得的S参数计算的不同倾角小阵的导纳随频率的关系曲线见图3。

图3 各倾角缝的导纳曲线

2.2 确定口径场分布及电导分布

为了实现方位面超低副瓣电平，考虑到裂缝线源加工中的随机误差﹑裂缝间互耦影响以及线源设计中的设计剩余误差等因素，方位面拟采用-50 dB泰勒口径分布。由此得到的口径激励分布曲线如图4所示。

图4 方位面理想口径激励分布曲线

得到的泰勒口径电压分布设为Am，矩形波导衰减常数α=0.202 8 Np/m，天线辐射效率η取97%，则第一个缝（靠近激励端口）的电导为：

其他缝的电导值可按式（16）递推：

最终得到辐射效率为97%﹑-50 dB副瓣的泰勒口径分布的电导分布，如图5所示。

图5 裂缝线源各缝隙电导分布

2.3 确定线阵的倾角分布和对应的谐振长度

由天线阵的电导分布，可由拟合的电导随倾角﹑缝深随倾角的变化曲线得到天线阵各缝单元的倾角和对应的缝深。仿真得到的缝隙角度与谐振电导﹑谐振切割深度的关系，分别如图6﹑图7所示。

根据上述方法，经过多次修调及仿真计算，同时考虑天线罩引入对谐 振电导的影响，可最终确定整个裂缝线源的缝隙参数[6]。

图6 缝隙角度与谐振电导的关系曲线

图7 缝隙角度与谐振切割深度的关系曲线

图8 八元阵三频点仿真波瓣图

图9 八元阵S21曲线

2.4 天线仿真与实测

天线的八元阵仿真方向图如图8所示。从图8结果可以看出，工作频带范围内（带宽200 MHz），天线副瓣电平均小于-42 dB，3 dB波束宽度为2°（中频），远远达到了设计指标的需求。图9给出了天线的S21曲线仿真结果。

实际制作八元试验阵，并在微波暗室内采用近场测试法进行波瓣测试，排除误差影响，最终的实测结果与仿真结果基本一致。实物测试如图10所示。

图10 八元阵实测图

图11是波导裂缝天线阵的实测方向图。从测试结果看，主瓣左侧副瓣电平均低于-42 dB以下，主瓣右边出现两个电平较大的副瓣。理论分析知道，主瓣右侧第一个大副瓣与主瓣位置对称，是由终端反射波产生的镜像副瓣，合理调整终端吸收负载即可抑制；主瓣右侧第二个大副瓣是由于交叉极化产生的，组大阵即可得到很好的抑制效果。忽略这两个因素的影响，副瓣电平基本满足指标要求。

3 结 语

本文通过对低副瓣波导阵列天线设计关键技术的分析，采用实测与理论分析相结合的方法，极大地提高了天线设计精度，有效降低了天线的副瓣，设计了一款L波段宽带超低副瓣波导缝隙阵列天线。实测结果表明，该天线具有工作频带宽﹑增益高和极低的副瓣电平，满足于各种监视和导航雷达的设计要求，具有很高的实用价值。

图11 八元阵三频点实测波瓣图

[1] 韦春海,李刚.波导窄边缝隙天线的研究和设计[J].雷达科学与技术,2013,11(05):557-560.

WEI Chun-hai,LI Gang.Research and Design of Edge Slotted-wave Guide Antenna[J].Radar Science and Technology,2013,11(05):557-560.

[2] 孙召国,张玉梅,卢晓鹏.L波段宽带超低副瓣偶极子阵列天线研制[J].微波学报,2006,22:5-10.

SUN Zhao-guo,ZHANG Yu-mei,LU Xiao-peng.The Study and Fabrication of A L-Band Wideband Ultralow Sidelobe Dipole Array Antenna[J].Journal of Microwave Eengineering,2006(22):5-10.

[3] 陈虎,何丙发.低副瓣波导窄边大倾角缝隙天线研究[J].微波学报,2014(06):283-286.

CHEN Hu,HE Bing-fa.Study on Large Angle Slotted Waveguide Antenna with Low Sidelobe[J].Journal of Microwave Engineering,2014(06):283-286.

[4] 齐磊.低副瓣微波矩形波导缝隙天线的研究[D].南京:南京理工大学,2009.

QI Lei.Study on a Rectangular Slotted-wave Guide antenna with Low Sidelobe[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2009.

[5] 方正新,金谋平.L波段双脊裂缝波导低副瓣阵列天线的设计[J].雷达与对抗,2012,32(04):43-46.

FANG Zheng-xin,JIN Mou-ping.The Design of An L-band Double-ridged Waveguide Slot Array Antenna with Low Sidelobe[J].Radar and Countermeasures,2012,32(04):43-46.

[6] 李霞.C波段波导缝隙阵列天线的分析与设计[D].西安:西安电子科技大学,2013.

LI Xia.The Design and Analysis of C Waveguide Slot Array antenna[D].Xi’an:Xi’an Electronic and Science University,2013.