X波段低副瓣波导缝隙阵列天线设计

简 玲，石 磊，陈晓鹏

（中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

波导缝隙天线具有口径面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、强度高、安装方便等优点，被广泛应用于雷达和通讯领域［1］。早期的波导裂缝天线设计主要通过加工、测试大量的试验小面阵，从测试数据中提取缝隙的导纳参数，再以此设计缝隙天线，耗费较多的时间，成本也较高［2］。电磁仿真软件的出现，可利用仿真软件获得波导缝隙天线的散射参数，再用理论公式计算出缝隙的有源导纳［3］，极大提高了天线设计的效率。但是，由于波导缝隙的边缘缝隙和中间缝隙的互耦不同，电磁仿真软件提取的导纳参数并不十分准确。本文采用电磁仿真软件和传统理论结合的方法，在设计过程中利用仿真软件计算出近场的幅度相位分布，并由此对缝隙参数进行修正优化，提高了设计精度。在结构设计上，采用端馈的同轴波导变换器和内置吸收负载，易于安装，质量轻。加工过程中每道工序均采用定制装夹，保证了加工精度。天线通过其背部定位块上的螺纹孔与背架紧固连接，天线正面无固定块遮挡。

1 天线设计

1.1 理论计算

天线面阵要求方位面波束宽度为1.1°，副瓣小于-30 dB，缝隙间距取 0.46λg，缝隙数量为 110 个，采用副瓣电平为-35 dB、等副瓣个数为8的泰勒分布。缝隙幅度分布如图1所示。

图1 缝隙幅度分布

假定线阵的末端吸收功率是已知的，则根据线源的幅度分布和天线效率可以计算出不同缝隙对应的电导分布。缝隙电导与线源幅度分布的关系为［4］

其中，Ei是第i个缝隙激励幅度，η为天线效率。计算出波导缝隙的电导分布如图2所示。

图2 缝隙电导分布

1.2 缝隙电导的提取

电导的提取是在电磁仿真软件中完成的。在仿真软件中建立5根裂缝波导组成的阵列［5］，该阵列的间距与设计阵列间距相等，缝隙倾角为固定值，获得该切割角度条件下的缝隙谐振长度和增量电导。电导值可由公式（2）计算得出。

提取的电导值为包含互耦的多个缝隙的平均电导值。改变缝隙的倾角，重复此步骤，计算出不同倾角对应的电导值并记录其对应的倾角切割深度。电导与切割角度的关系如图3所示。倾角与切割深度的关系如图4所示。

图3 电导与切割角度的关系

图4 切割角度与切割深度的关系

1.3 建模仿真及优化

根据1.1中的缝隙电导分布和1.2中的电导与切割角度的关系、切割角度与切割深度的关系，可以确定波导缝隙每个缝隙的倾角和切割深度，从而确定完整的模型尺寸。在仿真软件中建立完整的5根线源的缝隙阵列模型并对其进行仿真，并根据仿真结果对缝隙的单元的切割角度和切割深度进行调整优化。在仿真模型中提取出每个缝隙的近场幅度、相位分布，与综合理论的幅度进行比较，找到差异较大的缝隙。对差异较大缝隙的偏置和缝长进行修改，使每个缝隙的近场幅度与理论幅度分布基本一致，即可得到比较理想的方向图。缝隙单元的切割角度和切割深度最终的结果如图5、图6所示。

波导缝隙天线在实际加工时不可避免地存在加工误差。假定倾角的加工误差为±0.1°，缝隙切割深度的误差为±0.03 mm，随机产生一组倾角误差和深度误差，叠加到理论的缝隙的倾角和切割深度上，并将该组有误差的尺寸进行建模仿真，其仿真结果对比如图7所示。从图中可以看出，加入随机误差后，方位面的第1副瓣有所抬高，但仍能满足指标。

图5 缝隙单元的最终倾角分布

图6 缝隙单元的最终切割深度分布

图7 有无随机误差的仿真方向图对比

2 同轴波导变换器和吸收负载设计

波导的一般激励方法有探针激励、环激励、孔缝激励、波导间的过渡激励等。前两种都是利用同轴线内导体分别插入波导上的电场和磁场最强处来激励。孔缝激励用于相邻波导之间的激励。波导间的激励一般是用矩-圆变换来实现波导间的模式转换。

本文的裂缝天线后端需接T／R组件，因此采用的是探针激励。考虑到天线的间距较小，馈电探针加载在波导端面，其仿真模型如图8所示，仿真结果如图9所示。

图8 同轴波导变换器的仿真模型

图9 同轴波导变换器的仿真驻波

吸收负载采用了定制的羰基铁块，从波导管端部塞入波导管内，由负载的定位台阶确定塞入深度，胶接固定，示意图如图10所示。羰基铁块负载的长度小于40 mm，且无需法兰面与波导线源固定，与传统的带法兰面负载相比，尺寸和质量都要小得多。

图10 负载安装示意图

3 裂缝线源的加工和安装

X波段的天线组成面阵，单元之间的间距较小。本文中的裂缝线源之间的中心间距为16 mm，波导与波导之间的空隙不到4 mm，无法采用定位卡块对波导线源进行正面固定。因此，在线源背部焊接固定块，固定块中加工螺纹孔，从而将线源用螺钉固定到背架上，固定块同时起到了固定和定位的作用，如图11所示。

图11 波导线源的固定块实物图

波导壁比较薄，加工过程中的焊接、切削会引起变形。因此，在加工过程中每道工序均采用定制的工装装夹，成品的直线度达到了2 mm／2.1 m。

4 实测结果

根据1.3节的最终优化尺寸加工了8根波导裂缝天线的试验面阵，实物如图12所示。对组装好的天线阵驻波与方向图特性进行测试，在8%的频带范围内驻波小于1.2，如图13所示，方位面副瓣小于-32 dB，方向图的实测结果如图14所示，验证了设计方法的可行性。

图12 裂缝天线实物图

图13 实测驻波曲线

图14 高中低频点的实测方向图

5 结束语

本文设计的X波段低副瓣波导缝隙阵列采用端馈的同轴波导变换器和内置的吸收负载，减小了面阵的尺寸和质量，通过软件仿真提取互耦状态下不同倾角的谐振长度和电导。根据幅度分布确定缝隙倾角和缝深，建立仿真模型并加入误差分析，缩短了研制周期。线源采用背部焊块螺钉固定，加工过程中每道工序均采用定制装夹，保证了加工精度。试验阵测试结果和仿真结果吻合较好，满足指标要求，已应用于某项目的雷达整机。