浅谈矩形波导宽边四元斜缝天线的设计

　　引言

　　波导缝隙天线具有口面场分布容易控制，没有能量漏失、天线口径效率高、性能稳定、结构简单紧凑、强度高、安装方便、抗风力强等优点，而且容易实现窄波束、赋形波束、低副瓣乃至超低副瓣，所以波导缝隙天线已经成为新型雷达中天线的优选形式，被广泛应用于雷达和通讯领域。该天线要求在水平面内具有宽波束的特点，能够覆盖比较宽的范围，从而更有效地提高车辆的战场生存能力。天线需要满足的性能指标如下：a.增益：大于11dB；b.3dB波束宽度：E面为20°，H面为110°；c.副瓣电平：小于-13dB；d.驻波比：小于2。

　　波导缝隙天线是一种重要的微波天线，在通信和雷达系统中获得了广泛的应用。然而，随着波导缝隙数目的增加，单纯依靠仿真软件或是数值方法，在普通PC机上都很难进行分析。因此，对大型波导缝隙天线快速高效的分析计算成为工程上的迫切需要。本文基于广义导纳矩阵（GAM），围绕大型波导缝隙天线的快速分析展开了研究：本文首先采用模式匹配的经典理论，建立了以波导缝隙天线裂缝所在平面法线方向为参考方向的分析模型，将天线分成内外两个区域。对于天线内部区域，提出了行波状态利谐振状态两种情况下波导缝隙天线内部区域广义导纳参数的快速提取方案，建立了具有广泛适用性的天线单元广义导纳参数数据库，实现了缝隙天线内部区域GAM的级联，得到了广义输入导纳等主要参数，与HFSS仿真结果吻合良好。

　　1 理论分析

　　1.1 串联缝隙阵的模型

　　由波导内的场分布情况可知：当波导宽边中心开斜缝时，窄缝在纵向不切割电流线；在缝的横向由于对电场的扰动，使得总电场在缝的两侧发生跳变，即电压跳变，故相当于在传输线上串联了一个阻抗。对中心馈电的谐振线阵模型来说，假设波导壁上开有Ⅳ爪斜缝，缝与缝中心间距λg／2，为取得同相激励，相邻缝交叉倾斜放置，波导末端短路板距终端缝隙λg／2，以使缝隙中心处于电压或电流最大值位置，线阵模型如图1所示。

　　其等效电路如图2所示。

　　图中所示均为归一化的等效电阻。

　　1.2 缝隙特性参数的分析

　　在天线工作频率的选取上，本雷达系统的工作频率为10.5GHz，故该天线的工作频率为10.5GHz，，对于阵列中各单元以等间距位于直线上的线阵，其阵列因子可表示为：

　　其中An为激励的幅度，θ为观察方向与直线的夹角，d为阵元间距。由于谐振阵各单元是同相的，即φn=O，则上式可简化为：

　　当u=2mπ，m=O，±1，…时，S取最大值，且m=0时为主瓣。为了实现低副瓣并使主瓣展宽，采用中心馈电从阵中到边缘幅度递减，按泰勒线源分布加权各缝隙，两边呈对称分布，其方向图零点位置由下式决定：

　　将后一项按多项式展开，Z的各次幂系数即为相对应的激励幅度。

　　由图2，当波导采用中心馈电并处于谐振的时候（其阻抗虚部为零），对泰勒分布而言，则有：