1、雷达裂缝天线的设计与仿真1大连海事大学毕 业 论 文船舶雷达裂缝天线的设计装订线雷达裂缝天线的设计与仿真II摘 要本文设计了一个宽边纵缝谐振式波导缝隙天线，并利用 Ansoft 公司研发的电磁仿真软件 HFSS（high frequency structure simulate）进行仿真。电磁仿真软件 HFSS 能给出波导缝隙天线的 2D、3D 模型和辐射方向图，根据对方向图的要求，采用修正的切比雪夫阵设计该天线各缝隙的电流分布。作为裂缝阵列天线的理论基础，从阵列天线的两个最基本原理：电磁波的干涉与叠加原理、方向图乘积定理出发，使我们对阵列天线有了更加清楚的认识，然后从对偶原理出发，分析了波导
2、上单个缝隙的辐射机理和形式，并分析了由多个缝隙构成的波导裂缝天线阵的特点，给出相关的计算公式。采用 HFSS 仿真设计该天线并进行了优化及仿真，仿真结果与理论计算结果基本符合。关键词：波导缝隙天线；HFSS 仿真；优化 ABSTRACTThis paper presented a Slotted-waveguide Array antenna which is simulated using HFSS.HFSS is an electromagnetic simulate softw -ave which is invented by Ansoft .It can give the model
3、 of 2D、3D and directivity of this Slotted-waveguide Array Antenna. According to the requirement of directivity, this researcher designs the amplitude distribution of the apertures based on modified Chebyshev array,Proceeding from the principle of duality, the paper analyzes and compares the field fe
4、atures of half-wavelength band dipole and half-wavelength aperture antenna, which is the theoretical basis of slotted antenna array, Based on this then, the author will analyze the mechanism of a aperture in on a waveguide and the features of slotted-waveguide antenna array formed by a number of ape
5、rture. Finally, the author presents the relevant formulas. Then , Slotted- waveguide Array Antenna is simulated and optimized by using HFSS , the result of the simulation tallys with the result of theory calculate.Keywords: Slotted-waveguide array；HFSS simulation; optimization雷达裂缝天线的设计与仿真III目 录第 1 章
6、 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 船舶裂缝天线的研究现状 .11.2 单端馈电雷达裂缝天线的问题 .21.2.1 脉冲宽度与天线长度 .21.2.2 天线效率 .21.3 HFSS 仿真软件的介绍 .21.3.1HFSS 的特点和应用领域 .21.3.2 HFSS 与其它软件的协同作用 .31.3.3HFSS 软件的计算原理 .31.4 论文的主要内容 .4第 2 章理论基础 .52.1 阵列天线的基本理论知识 .52.1.1 电磁波的干涉和叠加原理 .52.1.2 方向图乘积定理 .72.2 对偶原理 .92.2.1 电偶极子与磁偶极子的对偶 .92.2.2 电流元和
7、磁流元的对偶性 .102.2.3 对偶原理的建立 .112.3 缝隙天线的辐射机理 .122.3.1 理想缝隙天线的辐射机理 .122.3.2 波导缝隙的阻抗特性 .132.3.3 波导缝隙天线的开缝机理 .142.4 波导缝隙天线阵及其特点 .152.5 本章小结 .16第 3 章裂缝阵列天线的设计 .173.1 具体设计方案 .17雷达裂缝天线的设计与仿真IV3.1.1 波导缝隙阵列天线的总体设计思路 .173.1.2 单个缝隙的波导缝隙阵列天线的设计与仿真 .193.1.3 20 缝波导缝隙阵列天线的设计与仿真 .213.2 仿真结果与分析 .23结 论 .24参 考 文 献 .25致
8、谢 .26船舶雷达裂缝天线的设计1船舶雷达裂缝天线的设计第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着中国综合国力和国际地位的日益提升，海洋领土逐步受到国人的重视，中国对发展蓝海海军的建设目标已经提上日程，船舶雷达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。缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本。因此成为了一种重要的天线形式。波导裂缝阵天线的设计难度相当高。到二十世纪七、八十年代，随着计算机技术的飞速发展，电磁场数值计算成为可
9、能，也使得缝隙天线的分析和设计上了一个新台阶。目前国际国内上也都在大力开展船舶雷达的研制工作，但技术尚未成熟，并考虑到其成本比较高，大角度扫描状态下很难实现低副瓣性能等实际困难，可以预见在今后相当长的时间内，裂缝阵天线仍将是船舶雷达天线的首选。1.1.1 船舶裂缝天线的研究现状波导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。国外在二十世纪四十年代末期就开始了波导裂缝天线的研究，经过多年的研究，缝隙阵列天线在理论和实践上都得到了巨大的发展。Waston 首先对波导裂缝和波导裂缝天线开展了研究和设计的尝试工作。1948 年 Stevenson 基于波导的等效传输线理论及波导格
10、林函数，取缝隙长度 /2（ 为工作波长） ，导出了各种形式缝隙的归一化电阻（电导）的计算公式。随后 Oliner 利用变分公式，并且考虑了波导壁厚的影响，计算出了缝隙的阻抗（导纳）特性。在 70 年代到 90 年代初期的二十多年里，计算机技术得到了极大的发展，计算机大大的提高了计算速度和存储容量使很多复杂的电磁场问题的计算结果更为精确，这也使得裂缝天线理论研究和工程技术得到了蓬勃发展。T.Vu Khac、HungYuet 、Josefsson 等对波导宽边总想辐射裂缝采用矩量法进行分析。具体方法如下，运用磁场连接性条件得到了两个积分方程在裂缝的上、下口径上，将厚度为 t的裂缝视作一个腔体，分别
11、建立波导、半自由空间、裂缝墙体的格林函数，然后用矩量法计算裂缝口径上电场眼裂缝长度方向的数值。在忽略波导内缝隙间互耦和波导壁厚影响的前提下，R.S.Elliott 采用等效磁流片的方法导出解析表达式，但次表达式考虑了辐射裂缝间外互耦以及告辞模的影响，并将辐射裂缝的设计理论归结为三个方程。Elliot 等的卓越贡献，使得裂缝天线的理论研究和工程设计达到了较为成熟的阶段，他船舶雷达裂缝天线的设计2建立的理论被当今波导裂缝阵列天线设计者公认为主流设计方法。1.2 单端馈电雷达裂缝天线的问题1.2.1 脉冲宽度与天线长度雷达发射脉冲宽度 限制着裂缝天线长度的增加。为了提高雷达目标观察的分辨力，对天线波
12、束要求越来越窄，也就是天线长度必须增加，但是当天线长度超过脉冲宽度所对应的某一范围时，天线方向性图就会变坏，甚至失效，这样天线长度与脉冲宽度之间就产生了矛盾，这个矛盾不解决，窄波束的大型雷达裂缝天线就无法形成。1.2.2 天线效率雷达裂缝天线收发状态共用一根天线，采用收发开关控制发射和接收状态。当天线处于发射状态时，为了保证整个裂缝振子都处在最佳工作状态，馈给每一振子以充分能量，在设计中发射能量除满足上述状态外，还必须有一部分能量到达终端被匹配负载所吸收，以此来保证裂缝天线处在行波状态下。这样，就存在一个辐射能量与耗损在吸收负载上的无用能量的关系，一般二米、三米裂缝天线的效率 在（8090），
13、也就是说，在发射状态下要损耗能量的（2010），天线工作在接收状态，同样也有（2010）的接受能量被吸收负载所损耗，这对天线来说自然是一种能量的损失。1.3 HFSS 仿真软件的介绍HFSS 广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域。它具备仿真精度高，可靠性强，仿真速度快，稳定成熟的特点，其自适应网格剖分技术使HFSS 成为高频微波设计的首选工具盒行业标准。利用 HFSS 工具可以高效地设计各种高频结构，包括射频和微波部件、天线和天线阵及天线罩，高速互联结构、电真空器件，可用于研究目标特性和系统/部件的电磁兼容/电磁干扰特性，从而降低设计成本，减少设计周期，增强竞争力。1.3
14、.1HFSS 的特点和应用领域HFSS 是利用我们所熟悉的 Windows 图形用户界面的一款高性能的全波电磁场（EM）段任意 3D 无源器件的模拟仿真软件。HFSS 具有以下特点：1. 具有仿真、可视化、立体建模、自动控制的功能，使得 3D EM 问题能快速而准确地求解。2. Ansoft HFSS 使用有限元法（FEM） 、自适应网格划分和高性能的图形界面，能让你在研究所有三维 EM 问题时得心应手。3. Ansoft HFSS 能用于诸如 S 参数、谐振频率和场等的参数计算。船舶雷达裂缝天线的设计34. HFSS 是基于四面体网格元的交互式仿真系统。这能解决任意的 3D 几何问题，尤其是
15、那些有复杂曲线和曲面的问题，当然在局部会利用其它技术。1.3.2 HFSS 与其它软件的协同作用为了便于提高设计与分析效率，HFSS 强化了与 CAD 工具和其它分析工具之间的配合。比如，在电磁场分析中需要分析对象的结构信息，通过读取由 CAD 生成的结构信息模型，提高易用性的功能。此外 CAD 模型有时会出现微小的断差和坐标误差。HFSS 10 新增了一种功能，即使存在这些情况，也能将其分割成最佳的微小网格后，进行电磁场分析。另一点就是：HFSS 10 与 Slwave v3 进行协作分析的示例，能够看到车身内部的印刷电路板产生的不必要辐射活动情况。Ansoft HFSS 在 PC 机（Wi
16、ndows 系统）上能够利用 3GB 的内存空间，这极有效地拓展了 HFSS 仿真计算能力。同时，具备与 Ansoft Designer、Nexxim 动态连接的特性：通过动态参数化链接，在 RF/数模混合电路仿真中实现与三维电磁场的协同仿真。1.3.3HFSS 软件的计算原理总的来说，HFSS 软件将所有要求解的微波问题等效计算 N 端口网络结构的 S 矩阵，具体步骤如下：（1） 将结构划分为有限元网络。（2） 在每个端口处计算与端口具有相同截面的传输线所支持的模式。（3） 假设每次激励一个模型，计算结构内部的全部电磁场模型。（4） 由得到的反射量和传输量计算广义 S 矩阵。HFSS 求解微
17、波问题的流程图如图 1.2 所示。船舶雷达裂缝天线的设计41.4 论文的主要内容本文重点介绍用 HFSS 仿真软件对宽边谐振式波导缝隙阵列天线的研究和设计。正文部分共分三章，分述如下：第一章是绪论，介绍了雷达裂缝天线研究的背景、意义及现状，HFSS 的特点和应用领域、计算原理和的简要介绍。第二章首先从阵列天线的两个最基本原理：电磁波的干涉与叠加原理、方向图乘积定理出发，使我们对阵列天线有了更加清楚的认识，然后从对偶原理出发，分析并比较了半波带状振子和半波缝隙振子，在此基础上分析了波导上单个缝隙的辐射机理和形式，并分析了由多个缝隙构成的波导裂缝天线阵的特点，给出相关的计算公式。第三章设计了一种宽
18、边纵向谐振式驻波波导裂缝天线，根据对方向图的要求，采用切比雪夫阵设计该天线各缝隙的电流分布，并用较为严格史蒂文森（A.F.Stevenson ）法推导波导裂缝的等效电导，先利用 HFSS 高频仿真软件建立单个缝隙的模型并进行仿真然后在利用这个单缝模型设计 20 缝的波导缝隙天线阵的模型，设置各个缝隙的偏移量，并借助 Ansoft 公司的高频电磁仿真软件 HFSS 进行仿真。通过单缝和 20 缝的裂缝天线的仿真结果得出相应结论。船舶雷达裂缝天线的设计5第 2 章理论基础2.1 阵列天线的基本理论知识天线是一种用于发射和接收电磁能量的设备。在许多场合，由单个天线（或称为单个辐射器）就可以很好地完成
19、发射和接收电磁能量的任务，如常用的各种线天线、面天线、反射面天线等，其本身就可以独立工作，但这些天线形式一旦选定，其辐射特性便是相对固定，如波瓣指向、波束宽度、增益等，这就造成在某些特殊应用场合，如雷达天线的一般要求较强的方向性、较高的增益、很窄的波束宽度、波束可以实现电扫描及其他一些特殊指标，单个天线往往不能道道预定的要求，这时就需要多个天线联合起来工作，共同实现一个预定的指标。这种组合造就了阵列天线。其中，电磁波的干涉与叠加原理、方向图乘积定理是阵列天线得以构成的两个重要原理。2.1.1 电磁波的干涉和叠加原理阵列天线能够形成不同于一般单元天线的辐射特性，尤其是可以形成指向某部分空间的、比
20、单元天线强得多的辐射，最根本的原因就是来自多个相干辐射单元的辐射电磁波在空间相互干涉并叠加，在某些空间区域加强，而在另一些空间区域减弱，从而使得不变的总辐射能量在空间重新分布。波的干涉与叠加原理最初来源于光学领域。托马斯杨仔细观察了在两组水波交船舶雷达裂缝天线的设计6叠处发生的现象：“一组波的波峰与另一组波的波峰相重合，将形成一组波峰更高的波。如果一组波的波峰与另一组波的波谷相重合，那么波峰恰好填满波谷。 ”声波的叠加也是如此，声波的叠加会产生声音的加强和减弱、复合的声调和拍频。在此基础上，他于 1801 年在一篇报告中发展了惠更斯的光学理论，提出了著名的“干涉原理” ，也称“波的叠加原理”
21、，并在光学中首次引入了“干涉”的概念。同时，他指出了产生干涉现象的条件，并首次完成了著名的双缝干涉试验和其他一些干涉实验，总结出：为了显示光的干涉，必须先使从同一光源出来的光分成两束，经由不同的路径，然后重新叠加在一起，即可观察到干涉现象。著名的干涉实验如图 2.1 所示。由于光本身的波动性，光波与电磁波本质上是相似的，因此可以把这一最初在光学领域提出的基本原理推广到电磁波领域。我们知道，天线在空间的辐射是天线上源电流产生的，若空间中存在满足相干关系的多个电流（如一个电流分出的多个部分，施加在不同的天线单元上） ，则多个电流的辐射电磁场在空间中将发生叠加，形成干涉现象，造成某些空间区域场同相叠加，场加强；某些空间区域场反相叠加，场削弱；在另外一些区域场的叠加介于同相和反相之间，这样就形成了空间中的电磁场的强弱分布。电流分布 J 在均匀媒质中产生的辐射电磁场可表示为 1()EjA（2.1.1）
