X波段低副瓣波导窄边缝隙行波阵设计

孟 洋

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

波导缝隙阵列天线是从1940年出现并发展起来的，已经被广泛地应用于雷达系统中。随着对雷达系统抗干扰要求的日益增强，要求天线具有低副瓣的性能，而波导缝隙阵列天线是一种理想的天线形式[1-2]。本文设计的背景就是船舶交通管理(VTS)雷达系统，作为VTS雷达系统的前端，天线性能的好坏直接影响整个雷达系统[3]。

波导缝隙阵列天线设计是缝隙倾角、缝隙切深、缝隙间距等主要参数的确定。设计关键是建立缝隙电导函数与天线参数的关系，并确定天线初步尺寸。在Ansoft HFSS仿真软件中进行建模仿真，并优化天线参数，直至所有指标满足设计要求。

1 理论分析

窄边倾斜缝隙可等效为并联导纳电路，缝隙导纳已计入外部互耦，表示如下：

已知第i个缝隙的归一化电导可表示为：

(1)

取：

(2)

则有：

(3)

推导需要考虑波导损耗时Gi的表达式。设波导内行波功率传输距离d后减小到之前的q倍(q=e-2αd，其中α表示波导衰减常数)。根据波导缝隙等效阵列电路，可得下列各递推关系式：

(4)

(5)

天线效率：

定义为天线的总辐射功率Pr与输入功率P1之比。将天线效率的表达式代入式(2)有：

(6)

天线的效率η与匹配负载的相对吸收功率r有如下关系：

(7)

亦可得到η的表达式：

(8)

(9)

(10)

(11)

近似认为每个缝隙的相对辐射功率相同，有：

(12)

联立式(11)(12)得：

(13)

匹配负载的相对吸收功率r可用网络的散射参数表示为：

(14)

假设电压驻波比为1且天线无损耗，式(13)可化为：

(15)

上式中A=10log10|S21|。

2 导纳参数提取

对于行波阵而言，各个缝隙之间的间距d≠λg/2，且sinθ=λ/λg-λ/2d。d的初始值取为25 mm，可根据仿真结果做出微调。用Ansoft HFSS仿真软件，建立由12个缝隙构成的波导缝隙阵仿真模型。选取BJ100标准波导，波导上缝隙尺寸完全相同，且相邻缝隙交替倒向。

通常窄边斜缝主要提取缝隙倾角和缝隙切深这两个参数，提取的步骤如下：(1)固定缝隙倾角α1不变，以缝隙切深qt为自变量进行参数扫描，S21为因变量，找到S21最小时对应的缝隙切深qt1，即得到缝隙倾角为α1，缝隙切深为qt1时S21的最小值S21min1。(2)调整缝隙倾角为α2并固定其值不变，重复上述步骤，即可得到当缝隙倾角为α2，缝隙切深为qt2时S21的最小值S21min2。(3)预估缝隙倾角的大致范围，导纳参数提取如表1所示。

根据指标要求副瓣电平≤-32 dB，单元幅度分布采用33 dB的泰勒分布，单元个数为226个，等副瓣数为7[5]，可由MATLAB计算得到电导分布的理论值。上文已经将电导值与S21建立关系，根据表1可将缝隙倾角和缝隙切深分别与电导进行曲线拟合。缝隙倾角与电导关系曲线如图1所示。根据计算得到的电导分布值可得各缝隙电导分布曲线，如图2所示。经过Ansoft HFSS参数扫描发现，缝隙切深在S21取最小值时基本不变，在本仿真模型中为3.3mm。由图1—2易知各缝隙的倾角，即可在Ansoft HFSS中建立天线的仿真模型。

图2 各缝隙电导分布曲线

3 仿真结果

确定天线的各个参数后，即可进行建模仿真。仿真结果如图3—6所示。图3—5分别给出了天线工作在9.38 GHz、9.41 GHz、9.44 GHz时的方位面方向图和俯仰面方向图。图6是天线电压驻波比的仿真结果，天线的指标要求均得到满足。

图3 9.38 GHz方位面方向

图4 9.41 GHz方位面方向

图5 9.44 GHz方位面方向

图6 天线电压驻波比仿真结果

4 结语

本文介绍了波导窄边缝隙行波阵天线的设计方法，对波导缝隙天线进行了理论分析，将Ansoft HFSS仿真软件和MATLAB相结合，得到缝隙导纳函数，通过曲线拟合进而得到波导缝隙天线的缝隙倾角等关键参数，并在HFSS中建模。