基于HFSS的漏波长槽波导天线的口径场诊断

刘熠志

摘要：介绍HFSS在漏波长槽波导天线口径场诊断中的应用，通过合理的子网格设置仿真得到辐射长槽上精确的口径场。采用提取的口径场分布反演得到天线远场方向图，将其与仿真得到的方向图相比，非常吻合，证明这种诊断方法正确有效。根据口径场诊断结果，对天线结构进行调整优化，达到明显的优化效果，天线副瓣明显降低，负载吸收率与理论设计非常吻合。

关键词：HFSS； 漏波长槽； 波导天线； 口径场； 诊断

中图分类号：TN820.1

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2018）01-0070-04

Abstract： The application of HFSS in aperture field diagnosis of leaky-wave long slot waveguide is introduced. The accurate aperture field of radiant long slot is obtained through reasonable sub-grid setting simulation. The antenna far-field pattern is obtained using the inversion of extracted aperture field distribution， which is very consistent with the pattern obtained by simulation. It is proved that the diagnosis method is correct and effective. According to the diagnostic results of aperture field， the antenna structure is adjusted and optimized to achieve obvious optimization effect. The antenna side lobe is significantly reduced， and the load absorption rate is very consistent with the theoretical design.

Key words： HFSS； leaky-wave long slot； waveguide antenna； aperture field； diagnosis

0 引 言

漏波長槽波导天线在波导宽边开有偏离波导宽边中心线的赋形长槽，是一种典型的漏波天线形式，具有效率高、带宽、功率容量高、方向图控制灵活等优点，可应用于宇航、引信等领域。[1-2]然而，漏波长槽波导天线的设计难度大，其基本设计理论非常经典，但设计结果与理论预期往往存在较大偏差，设计效果明显不及谐振式缝隙阵天线，导致对漏波长槽波导天线的研究很难获得较大的突破。[3-6]

随着仿真计算技术的发展进步[7]，强大的商用电磁仿真软件为分析、设计天线提供更多的途径和思路。本文利用HFSS强大的仿真分析能力，跳出传统设计方法的局限，对漏波长槽波导天线口径场进行诊断和优化。介绍采用HFSS对漏波长槽波导天线口径场诊断的方法，通过合理的子网格设置，仿真得到辐射长槽上精确的口径场；根据口径场诊断结果，对天线结构进行优化调整，天线副瓣明显降低，负载吸收率与理论设计非常吻合。

1 漏波长槽波导天线的原理

漏波长槽波导天线的结构见图1，在波导宽边开有偏离波导宽边中心线的赋形长槽，波导内传输的电磁波从长槽处泄漏。通常，漏波天线单位长度的泄漏率应较低，以避免对波的传输相速产生较大扰动和天线失配。

漏波天线的特性用复传播常数

α+jβ表示，α为衰减常数，β为波导内相位传播常数。当α很小时，可不计α对主波束指向的影响，则

式中：θm为主波束偏离波导法线的角度；λ为自由空间波长；λc为波导截止波长；λg为波导波长。

漏波天线的口径幅度分布A（z）通过改变沿漏波结构衰减（泄漏）量α（z）控制。由文献[8-10]可知，给定A（z）可以计算出理论α（z），即

同时，α（z）的大小由天线结构尺寸，主要是赋形长槽偏离波导宽边中心的偏移量决定，因此由理论α（z）可设计出具体天线结构尺寸。理论上

式中：x为赋形长槽的偏置量；w为槽宽；a为波导宽边尺寸；b为波导窄边尺寸；k为自由空间相位传播常数；kc为截止波数。

2 仿真与优化

按照漏波长槽波导天线的原理设计辐射长槽的初始形状曲线，在HFSS中通过多节折线段逼近该曲线。运用sweep操作得到缝隙宽度一定的辐射长槽，漏波长槽天线仿真模型见图2。应用口径场诊断方法的前提条件是仿真计算能得到准确的口径场数据，而数据的准确性主要取决于网格划分设置。在该模型中，辐射长槽包含细小的结构尺寸，因此需要对辐射长槽的网格进行局部加密，局部网格划分结果见图3。

口径场分布提取结果见图4。由此可以看出，口径场仿真值与理论值差别较大。经过深入分析并参考相关文献可知：口径场分布不对称，前低后高，这主要是由长槽偏移量设计误差造成的；口径场分布总体上是在理论分布基础上叠加一个周期的振荡分布，该现象是由长槽内产生的高次模干涉引起的，这也与文献的结论相吻合。为进一步验证口径场诊断的正确性，由口径场反演计算出天线远场方向图（见图5），并与仿真得到的远场方向图（见图6）进行对比可知：两者非常吻合，尤其是主波束和近场副瓣区间的方向图几乎重合，只有在远区栅瓣处栅瓣电平大小有些差别，但栅瓣位置仍是一致的，其原因主要是口径场反演的方向图没有考虑实际结构边界条件的影响。

根据口径场诊断结果，提出修正口径场分布的方法，优化设计漏波长槽波导天线，解决口径场分布不对称问题。优化设计后仿真得到的修正口径场分布和方向图分别见图7和8。

由图7和8可知：口径场分布的对称性明显改善，方向图性能也明显提高，主瓣内不再分裂出台瓣。宽频带内优化设计的驻波比仿真值和负载吸收率仿真值分别见图9和10。负载吸收率的仿真值为-13.4 dB，与理论值非常吻合。由此可见，对天线结构进行调整，可达到明显的优化效果。

3 结束语

针对漏波长槽波导天线的精确设计和优化设计问题，基于HFSS的漏波长槽波导天线口径场诊断方法，通过合理设置仿真模型，准确提取辐射长

槽上的口径场，根据口径场对天线进行分析和优化。将口径场分布反演得到的天线远场方向图与仿真方向图对比，二者非常吻合，证明该诊断方法正确有效。优化设计取得较好的效果，天线副瓣明显降低，负载吸收率与理论设计非常吻合，验证优化设计的有效性。

实际的口径场分布由很多因素决定，包括高次模、长槽偏置设计误差、设计理论的应用条件偏差等，因此实际的优化方法比较复杂，优化难度较大，还有很多优化空间有待研究。

参考文献：

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（编辑 付宇靓）