简论一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真概要

简论一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真<

Design and Simulation of Waveguide Aperture Antenna Working in X-band

LI Gao-sheng, LU Zhong-hao, LIU Feng, HE Jian-guo

(College of Electronic Science and Engineering, National

University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: The procedures for designing a waveguide aperture antenna are presented. A waveguide aperture antenna working in X-band is designed. The aperture of antenna, number of waveguide, and parameters of aperture including number, width and location are calculated. A wide-arm coupling resonant aperture magic T comparator with half-h Ei ght waveguide is designed, based on which the design

of the antenna is finished. Simulation results indicate that gain of the sum beam is 28.9 dB and the first side lobe is -22.2 dB at 12 GHz. The antenna can attain good parameters such as sum and subtract pattern, voltage stand wave ratio and gain.

Keywords: waveguide aperture antenna; low side lobe; radiation slot; comparator

0 引言

随着信息化水平的提高和无线电技术的发展 ,对高效率、低副瓣天线的需求日渐强烈,特别是弹载、机载搜索和跟踪天线,由于早年常用的抛物面天线固

有的口径遮挡,难以在这两方面有大幅度提高,不能满足日益增长的需求。

波导缝隙天线在设计方面具有较大的灵活性,可调整和优化的参数多,较易

实现高效率、超低副瓣和高增益,还具有承受功率高,结构紧凑等优点,得到了广泛的研究和应用 [1-2]。

波导缝隙平板阵列天线主要由辐射阵面、馈电波导及和差器等三部分组成,本文对此分别进行了阐述,计算了天线口径相关参数,设计了和差器和馈电网

络 ,并对设计结果进行了仿真计算。

1 天线辐射阵面设计

1.1 天线口径相关参数计算

首先根据天线的波束宽度和副瓣电平要求计算口径尺寸D,然后把D代入增

益G公式,看是否满足增益要求;最后根据增益和波束宽度,对天线口径进行修正,使其同时符合两者要求[3-4]。

单脉冲天线的口径一般分成四个象限,每个象限构成一个独立的子阵,每个

子阵是90°的扇形,无法实现理想的泰勒分布,因此设计时要留出适当的余量。

最大副瓣电平为R0,天线主瓣峰值电平与最大副瓣电平的电压比值为:

η=10-R010

(1)

选择泰勒圆口径分布,波束宽度因子为:

β0=(arcch η)2-arcchη22

波束展宽因子不仅与副瓣电平有关,而且与等副瓣电平的副瓣数n

有关[1]:

σ=μn A2+(n-0.5)2

式中:A=arcosh η/π;μn为第一类一阶贝塞尔函数的第n 个根。天线的波束宽度为:

2θ0.5=σβ0λ D

(4)

阵面直径确定后,根据波导尺寸计算阵面波导数。阵面圆心为扇面的公共点,波导的排列相对阵面中心对称。半个阵面上平行放置的波导数为: n≤D2(a+2t)

(5)

式中:a为波导宽边内尺寸;t为波导壁厚。

1.2 阵面缝隙单元数计算

对于圆形阵列天线,组成阵面的波导长度各不相同。进行阵面设计时,先对各根波导容许的极限长度做出计算,以考虑每根波导上缝隙的数量。从中心算起,每根波导的极限长度为:

li=r2-[i(a+2t)]2

(6)

式中:li代表由中心算起第i根波导的长度,i=1, 2,…,r为阵面半径。

辐射缝隙开在波导宽壁上,为纵向并联缝隙。为保证谐振条件,各缝隙应同相,这要求交叉位于波导中心线两侧的相邻缝隙间距d=λg/2,λg为波导波长。

采用谐振缝隙阵,第一条和最末一条缝隙在距中心为λg/4处短路。长度为li的波导,缝隙数为:

ni≤2(li-2t)λg

(7)

1.3 辐射阵面设计

子阵面辐射中心选在离阵面中心为(0.3～0.4)R的范围内,接近45°角斜方向上的那个缝隙位置。辐射中心的缝隙场强是子阵面中最强的。计算场分布时,将辐射中心位置定为坐标原点。

子阵的辐射中心定为原点,距原点最远的缝的距离为半径aa,根据场强分布曲线,求出每条缝隙对应的场强值,确定其偏离波导中心线的位置。圆口径泰勒场分布[2]:

f(p)=∑n-1m=0FmJ0(μmp)[J0(μmπ)]2,p=πρaa

(8)

式中:

F(m)=1, m=0

-J0(μmπ)∏n-1n=11-μmzn2n-1n=1(n≠m)1-μmμn2,1≤m n-1;

μm为J1(πx)的第m个根;zn=±σ[A2+(n-05)2]1/2。