1、 学校代码：_ 11059_ 学 号：0905072010Hefei University毕 业 论 文 （ 设 计 ）BACHELOR DISSERTATION论文题目：_波导缝隙阵仿真设计_ _学位类别： 工学学士 学科专业：_ 通信工程 作者姓名：_ 马 跃_ _导师姓名： 郑 娟 完成时间：_ 2013-5-27_ _波导缝隙阵仿真设计中文摘要缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导裂缝阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点，在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用
2、的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线。本次设计要求为天线中心频率10GHz。本设计通过理论计算和软件仿真实现相结合最终得出结果，最后结果从方向图可以看出该缝隙的增益达到19.05dB，且呈现笔形波束。而第一副瓣约为-9.5dB，与主瓣相差28.55dB左右，满足波导缝隙阵天线使用场合的低副瓣要求。关键词：波导缝隙阵；阻抗；导纳；散射系数；HFSS；泰勒线源IDesig
3、n of Waveguide Slot Array SimulationABSTRACTThe slot antenna is the antenna consists of metal surface of the gap. Waveguide slot array antenna because of its small size, light weight, high aperture efficiency,large power capacity and easy to realize low sidelobe and ultra low sidelobe and other adva
4、ntages, has been widely used in airborne fire control radar, missile seeker. Slot waveguide with the cutting position of different form the gap. Gap are often used in the inclined slot waveguide edge, opened in the longitudinal slot waveguide, the transverse slot and open to the inclined slot in the
5、 waveguide center line, they can be resonant, also can be the non resonant. Because of these gaps are cutting surface current, thus to outer space radiation energy, the slot number, location, size, arrangement of carefully selected, can produce a variety of antenna . The design requirements for the
6、antenna center frequency 10GHz. This design through theoretical calculation and software simulation to achieve the combination of the final results, the final results from the direction of the gap can be seen that gain reaches 19.05dB, and presented a pencil beam. And the first sidelobe is about -9.
7、5dB, and the main valve is about28.55dB, meet the waveguide slot array antenna used low sidelobe requirements. KEY WORD: waveguide slot array; impedance; admittance; scattering coefficient; HFSS; Taylor line sourceII目 录第一章 前言 .11.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义 .11.2 波导缝隙阵研究的现状 .2第二章 波导缝隙阵天线概述 .42.1 天线简介 .42.2 波导缝
8、隙阵概述 .52.3 波导裂缝阵天线的组成 .52.3.1 辐射阵面 .52.3.2 耦合波导 .62.3.3 馈电波导 .62.4 缝隙类型 .72.4.1 缝隙类型简介 .72.4.2 宽边纵向半波谐振缝隙 .82.4.3 宽边横向半波谐振缝隙 .82.4.4 窄边斜半波谐振缝隙 .92.5 典型波导缝隙阵天线介绍 .92.5.1 为开在宽壁上的横向谐振缝隙阵 .92.5.2 纵向谐振缝隙阵 .102.5.3 纵向谐振缝隙阵二 .102.5.4 非谐振式缝隙阵 .112.5.5 匹配偏斜缝隙阵 .112.6 缝隙阵列天线参数确定 .122.6.1 波导缝隙尺寸的确定 .122.6.2 波导
9、尺寸和阵元间距的确定 .122.6.3 泰勒线源近似 .132.6.4 波导缝隙阵长及缝隙数目的确定 .142.6.5 辐射缝隙的电导值的确定 .152.6.6 缝隙偏移量的确定 .152.6.7 缝隙匹配的电导条件 .15第三章 技术实现 .163.1 软件简介 .163.2 天线的技术实现及大体结构 .163.2.1 设计原理 .163.2.2 HFSS 软件的仿真实现 .18第四章 波导缝隙阵的仿真设计过程 .194.1 仿真过程 .194.1.1 子工程 1：给定缝隙偏移，优化缝隙的谐振长度 .194.1.2 子工程 2：所有缝隙的完整模型 .234.2 天线性能 .27第五章 结论
10、.28参考文献 .29致 谢 .300第一章 前言1.1 波导缝隙阵天线研究背景及意义缝隙天线是由金属面上的缝隙构成的天线。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定结构简单紧凑、强度高、安装方便等特点，而且容易实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣。最近十几年，随着导弹、火箭、飞机等各种高速飞行器的发展，飞行器天线的研究受到了前所未有的重视，同时也对天线系统提出了更高的要求。矩形波导缝隙阵天线在这些需要窄波束或赋性波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。特别是它具有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低等特点，因此成为了一种重要韵天线形式，在机载预警雷达、机载气象雷达、导弹导引
11、头雷达以及各种成像雷达中得到了广泛的应用。图1为E3A“望楼”预警机采用的威斯丁豪斯公司研制的AN/APY-1型S波段脉冲多普勒雷达，平板缝隙阵式天线装在转速6转/分的天线罩内，可根据不同作战条件把360度方位圆分成32个扇区，选用不同的工作模态和抗干扰措施 1。图 1 E3A“望楼”预警机及采用的AN/APY-1型S波段脉冲多普勒雷达1图 2 单根及平板波导缝隙天线波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙，上图2为几种单根及平板波导缝隙天线。经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非
12、谐振式的。由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线方向图。低副瓣要求的波导裂缝阵列天线的设计有着相当高的难度。由于计算机技术的发展和天线加工工艺的提高，以及对雷达抗干扰要求的提高和脉冲多普勒雷达技术发展带来的需求刺激，在上个世纪70年代到90年代初期，波导裂缝阵列天线理论研究和工程设计技术得到了较快的发展，有些国家在设计方法和生产工艺方面都达到了相当成熟的阶段。目前国际上也在大力开展机载相控阵雷达的研制工作，但技术尚未成熟，并且考虑到相控阵天线成本较高，大角度扫描状态下很难实现低副瓣性能等实际困难，可以预见在今
13、后相当长的时问内，裂缝阵列天线仍将是飞行器雷达天线的首选。同时随着各种计算机辅助技术的发展如数控机床的使用，天线的整体焊接技术等，为波导缝隙天线的使用也创造了有利的条件。1.2 波导缝隙阵研究的现状低副瓣波导平板裂缝天线设计中存在的技术问题多年来一直是微波天线领域中研究的热点。国外在40年代末期就开始了波导裂缝天线的研究，首先开展了对波导裂缝的研究和设计波导裂缝天线的尝试工作。1948年利用波导的等效传输线理论及波导格林函数，取缝隙长度为/2(为工作波长)，导出了各种形式缝隙的归一化电阻(电导)的计算式。随后利用变分公式，考虑了波导壁厚的影响，计算了缝隙的阻抗(导纳)特性。在70年代到90年代
14、初期的二十多年里，2计算机技术得到了极大的发展。计算机提供的计算速度和存储容量使得很多复杂的电磁场问题可以计算出精确的结果，这也使得平板裂缝天线理论研究和工程设计技术得到了蓬勃发展。后来又采用矩量法对波导宽边纵向辐射裂缝进行了分析。采用的方法是，在裂缝的上、下口径上运用磁场连续性条件得到两个积分方程，将厚度为t的裂缝视作一个腔体，分别建立波导、半自由空间、裂缝腔体的格林函数，然后用矩量法计算裂缝口径上电场沿裂缝长度方向的数值。后来在忽略波导内缝隙间互耦和波导壁厚影响的情况下采用等效磁流片的方法导出考虑辐射裂缝间外互耦以及高次模影响的解析表达式，并将辐射裂缝的设计理论归结为三个方程。EUiott
15、等的卓越贡献，使得平板裂缝天线的理论研究和工程设计达到了较为成熟的阶段，他建立的理论为当今波导裂缝阵列天线设计方法的主流 2。国内对裂缝阵天线的研究相对来说起步较晚，主要从70年代开始开展研究，一大批科研人员在理论分析计算、设计方法、实验研究、加工工艺等各个方面开展了大量工作，取得了相当的进展，但性能距国际先进水平仍有很大差距。其中对辐射裂缝单元、交叉波导耦合裂缝单元以及耦合裂缝与辐射裂缝的相互影响的研究较多，吕善伟等采用矩量法对辐射裂缝、交叉波导耦合裂型以及耦合裂缝与相邻辐射裂缝的影响进行了大量的理论分析计算；彭仲秋对交叉波导耦合裂缝馈电的辐射纵缝中的场分布进行了分析；李浚沛等采用矩量法对辐
16、射裂缝、短路板对辐射裂缝的影响、耦合裂缝阻抗特性等都进行了理论研究和计算；任武等使用时域有限差分法对矩形波导上单个辐射缝隙的特性进行了严格分析，并对谐振状态的定义做了讨论；自80年代初开始，西北工业大学万伟、王汉阳、万国宾、陈莽等对波导裂缝天线进行了一系列研究，王汉阳对正交波导宽边公共壁上任意倾角、长度和厚度的缝隙的耦合特性做了理论分析，万国宾建立了波导缝隙天线阵的CAD/CAS模型，陈莽等对波导缝隙阵列的散射特性进行了理论分析。丁晓磊等采用场分析法并结合矩量法对由耦合纵缝馈电的两端短路波导宽边纵缝阵进行了理论分析和综合设计。3第二章 波导缝隙阵天线概述在导体面上切一开口，即缝隙，馈电后形成辐
17、射，称为缝隙天线，也称为开槽天线。它通过导体面上和二导体面之间的缝隙向外辐射，其辐射可看成是由缝隙上的等效场源-磁流元形成的。而波导缝隙天线阵一般由许多开在矩形波导壁上的半波缝隙组成，主要优点是口径分布便于控制，易于实现地旁瓣电平，效率高，结构紧凑，加工与安装简便。2.1 天线简介天线电系统中发射或接收电磁波的设备，称为天线。天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文及电子对抗等各种无线电系统必不可少的设备之一。我们几乎天天都看到天线和使用天线，如移动基站塔上的通信天线、全球定位系统（GPS）接收天线和大家手机内的天线，等等。天线种类繁多，大小不一，千姿百态，尽管它们之间的差
18、异很大，但都是基于相同的辐射与接收机理，都是以电磁场理论为基础进行分析与设计的。正因为如此我才要先大体简单的介绍下天线。天线的主要功能首先是能量转换：将发射机经传输线的射频导波能量变换成无线电波能量向空间辐射（发射天线） ，或反之（接收天线） 。所以天线是导行电磁波与空间电磁波之间的转换器 3。另一主要功能是：能量的发射与接收具有方向性，即，天线具有对能量进行空间分配的功能。例如，卫星地面站天线能将辐射能量集束成一个很窄的主波束，并将它指向卫星，其作用就如同探照灯的聚光作用一样。第三个功能是：辐射或接收指定的极化波，即天线能形成所需的极化。例如，在卫星广播中为实现频谱复用，往往要求卫星有双极化
19、能力。为能满足这些天线的功能，对其提出了一系列具体的要求。表达这些要求的电指标称为天线的电参数，如辐射效率、波束宽度、方向系数、增益、输入阻抗、极化和频带宽度等，在一些无线电系统中，天线的电参数直接决定其整个系统的性能指标。随着人们的需求，导致了形形色色、性能万千的天线结构的应用，本次设计主要研究为波导缝隙阵天线 4。42.2 波导缝隙阵概述在导体面上切一开口，即缝隙，馈电后形成辐射，称为缝隙天线，也称为开槽天线。它通过导体面上和二导体面之间的缝隙向外辐射，其辐射可看成是由缝隙上的等效场源-磁流元形成的。波导缝隙天线阵一般由许多开在矩形波导壁上的半波缝隙组成 【5 。波导缝隙构成的天线阵列主要
20、有两种形式，即波导宽边开缝而构成的缝隙天线阵和波导窄边开缝而构成的缝隙天线阵。前者不但电气性能优良，而且还有厚度小，功率容量大等特点，且缝间互祸较小，没有交叉极化分量，在机载火控雷达、导弹等方面起到非常重要的作用。根据裂缝单元间距和馈电方式的选择，宽边缝隙阵又可分为两种：一种是由行波激励的非谐振缝隙阵，一种是由驻波激励的谐振缝隙阵。在工作频段范围内相邻缝隙之间的距离稍大于或稍小于g/2(g是波导中的波长)的称为非谐振缝隙阵。相邻的缝隙之间的距离等于g/2的称为谐振缝隙阵。波导的终端决定了阵的形式，非谐振缝隙阵沿波导传输到终端负载，建立起沿波导轴向的行波分布。行波电流通过缝隙时将激励缝隙，因此缝
21、隙能放在相对于波导负载的任何位置上，缝隙间的距离和传播常数决定了它们的相对相位。谐振缝隙阵中的电磁波沿波导传输到短路板处，建立起沿波导轴向的驻波分布，并产生驻定的正弦电流幅度分布，其相位沿波导轴向线性变化。处于驻波电流零点的缝隙不会切断电流，也就不会被波导激励。因此可以改变缝隙在波导上的位置来改变对缝隙的激励幅度。需要指出的是，不论是哪种形式的阵列，缝隙都工作在谐振状态 6。2.3 波导裂缝阵天线的组成波导裂缝阵由若干条辐射阵面、一条交叉放置的耦合波导、一个为耦合波导馈电的馈电波导共 3 个部分组成。馈电波导将能量耦合到耦合波导之中，耦合波导通过祸合裂缝将能量按要求耦合到辐射波导，辐射波导中的
22、辐射裂缝再将能量按口径分布的幅度、相位要求辐射出去。裂缝的设计要满足天线口径上场的分布，同时，使每个子阵的馈电口阻抗匹配 7。2.3.1 辐射阵面辐射阵面由一系列开有宽边偏置并联裂缝的谐振阵波导构成，每一个裂缝切割波导壁上的面电流产生裂缝的电磁场，并向外空间辐射电磁波。根据要求5的天线口径场分布得到各个裂缝的归一化导纳值。通过控制裂缝的长度、偏移来调整每个裂缝的归一化导纳值，从而得到所要求的天线性能。辐射波导一般采用谐振阵，即两相邻裂缝相距 g/2，最末一个裂缝到短路板的间距为g/4。各裂缝交替地向波导中心线左右两边偏置，使裂缝相位改变为 180 度，以弥补波导内驻波在相邻的缝之间的 180
23、度相移。在实际工程设计中将会遇到以下问题:(1)由于辐射阵面波导上最末端的裂缝到短路板的距离为 g/4，而天线的口径面尺寸限定致使这一关系无法满足，如果减少阵面裂缝的数目将会影响天线的副瓣电平。为此，常在波导末端填充大介电常数介质以减小波导波长 g 从而满足尺寸要求。(2)在结构设计方面为保证焊接时裂缝的位置不发生偏移，应在适当的位置加上定位构件。同时也要考虑填充介质与金属在焊接时的固定。2.3.2 耦合波导耦合波导是开有宽边倾斜串联裂缝的谐振阵波导构成。耦合波导装在辐射阵面的后面，并与辐射阵面正交，耦合波导激励各个倾斜串联裂缝，每个倾斜串联裂缝的倾斜角决定了该裂缝的等效阻抗，从而确定每个辐射
24、波导内的功率电平。耦合波导一般采用谐振阵，即两相邻裂缝相距 g / 2 最末一个裂缝到短路板的间距为 g/2。各裂缝交替地向相反的方向倾斜使裂缝相位改变 180度，以弥补波导内驻波在相邻缝之间的 180 度相移。在实际工程设计中将会遇到以下问题:与辐射波导相类似，波导最末一个裂缝到短路板之间的距离不可能刚好满足 g/2 的关系，为此需设法延长波导的长度，此时可采用将波导向上折起的办法来增加波导长度。2.3.3 馈电波导馈电波导是耦合波导和馈电网络的连接部分，在该部分要充分考虑到阻抗匹配的问题。在实际设计中是在波导中加入销钉和膜片，以及设置合理的波导短路块调节装置来达到阻抗匹配的。馈电波导内电磁波的相位关系与它上面裂缝的倾斜方向有着密切的联系，可以利用这一因素设计合理的网络，从而达到简化天线结构的目的。总之，波导裂缝阵列天线的各个部分是一个有机的整体，每一部分设计的
