柱面共形裂縫陣天線的設(shè)計(jì)與仿真 （一）1 前言

波導(dǎo)裂縫陣天線容易控制口徑面上的幅度分布和相位分布，口徑面的利用效率高，體積小，剖面低，重量輕，在雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但越來(lái)越多的要求需要天線與平臺(tái)載體共形，這就對(duì)裂縫陣天線提出了更高的要求。柱面共形陣中需補(bǔ)償從圓柱面上各輻射源到設(shè)計(jì)想的平口面的路程差在平口面上引起的非線性相位差，比如直徑為30λ的圓柱上，弧寬約10λ的陣面路程差在等效平口面引起的最大相差達(dá)260°，通過(guò)計(jì)算標(biāo)明，若不補(bǔ)償，天線主瓣會(huì)裂頭，因此必須對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)，補(bǔ)償其相位差。

2 天線設(shè)計(jì)

A. 指標(biāo)要求

頻率：f0±50MHz;

天線口徑：約

天線需與直徑f=30λ的圓柱共形

增益：35dB;

波束寬度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣電平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 電性能設(shè)計(jì)

裂縫陣天線由輻射層，耦合層和饋電系統(tǒng)組成，耦合層和饋電層在同一層，以滿足天線的厚度要求，耦合層為圓弧彎波導(dǎo)，通過(guò)其公共壁上的耦合孔向扇形波導(dǎo)饋電，圖1所示。

圖1 柱面共形陣列側(cè)示圖

(a) P面電性能設(shè)計(jì)

每一線源共136個(gè)陣元，其口徑分布按旁瓣電平-22dB的泰勒分布設(shè)計(jì)。圖2為其口徑幅度分布，根據(jù)圖2給出的激勵(lì)可以算得其相應(yīng)的預(yù)期方向圖如圖3所示。波束的半功率寬度為0.59°，副瓣電平為-22dB。

圖2 線陣的幅度分布

圖3 天線線陣-22dB旁瓣泰勒分布方向圖

在本天線陣列中，出于對(duì)陣列工作頻率帶寬的考慮，每一線源被劃分成四根等長(zhǎng)的短線源，而每部分的短線源與其平行排布的12根其它短線源組成的子陣后，再通過(guò)一個(gè)一到四的波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)來(lái)組合到一塊。由于陣面在軸向?qū)嵭辛朔燃訖?quán)，因此各個(gè)子陣的輻射的功率并不都相同。為了滿足幅度分布，該功分網(wǎng)絡(luò)針對(duì)子陣的四個(gè)出口的功分比分別為0.144、0.356、0.356和0.144(或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB)。

(b) Q面電性能設(shè)計(jì)

Q面電性能設(shè)計(jì)為共形陣列的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，即耦合陣列設(shè)計(jì)是天線設(shè)計(jì)重點(diǎn)，通過(guò)耦合陣列的設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償空間相位差。饋電波導(dǎo)耦合縫的位置和耦合強(qiáng)度決定了呈圓弧排列的線源在Q面的口徑分布。因Q面各線源不在空間同一平面位置所造成的相位差如圖4所示。

這樣的相位差必需進(jìn)行補(bǔ)償，否則該面波束會(huì)出現(xiàn)凹陷，如果我們假設(shè)面陣在弧向方向的幅度按照均勻方式分布，其方向圖如圖5所示。

其空間相位差補(bǔ)償后的方向圖如圖6所示。由圖可見，通過(guò)饋電波導(dǎo)進(jìn)行相位補(bǔ)償后Q面方向圖與原預(yù)期方向圖基本一致。即方向圖主瓣寬度為5.1°，副瓣電平-13.3dB左右，滿足對(duì)波束寬度和副瓣電平的指標(biāo)要求。

圖4 空間相位差

圖5 未補(bǔ)相時(shí)的Q面方向圖

圖6 補(bǔ)相后的Q面方向圖

[page]柱面共形裂縫陣天線的設(shè)計(jì)與仿真 （二）[/page]相位補(bǔ)償?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)

在柱面共形陣的設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[4]給出了一種相位補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，其耦合波導(dǎo)采用行波陣，利用縫在寬波導(dǎo)內(nèi)的上下偏置引起π相移，偏置的大小以及縫的傾角同時(shí)控制相移和幅度。在設(shè)計(jì)時(shí)必須適當(dāng)選取輻射縫所處位置到假想平口面的相位與耦合波導(dǎo)中每個(gè)輻射波導(dǎo)的相位，使其剩余相位差較小的情況下，用斜縫的位置來(lái)補(bǔ)償這一相位差，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜繁瑣，并且仿真驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種補(bǔ)償方式對(duì)輻射波導(dǎo)的兩端口所引起的相位并不一致。

該耦合波導(dǎo)采用寬邊開斜縫駐波陣，斜縫夾角相等，滿足Q面等幅分布，相鄰?qiáng)A角正負(fù)反相，間距

，滿足同相分布，中間饋電給輻射波導(dǎo)。輻射波導(dǎo)上開縱向縫隙，采用駐波陣，通過(guò)縱向縫隙離耦合隙縫的距離來(lái)控制所需相位，P面幅度分布通過(guò)在輻射波導(dǎo)靠近隙縫的地方加感性膜片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)控制輻射隙縫到耦合隙縫的距離，就可以達(dá)到控制輻射隙縫的相位，所需相位與距離之間的關(guān)系滿足(7)式。d為所需間距，所需相位與輻射波導(dǎo)中波導(dǎo)波長(zhǎng)的關(guān)系式為

，為了驗(yàn)證理論的正確性，通過(guò)建如圖7所示模型進(jìn)行仿真，每個(gè)輻射隙縫相對(duì)耦合隙縫的間距為

，n取±1，±2，±3，對(duì)d進(jìn)行參數(shù)化掃描，在饋電縫左右各取一個(gè)縫看近場(chǎng)相位，即可看出d與相位的關(guān)系，考慮一般性均取中間縫。仿真結(jié)果見圖8所示。

圖7 建模

圖8 相位與間距之間的關(guān)系

仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，進(jìn)而驗(yàn)證了這種饋相方案的正確性。

3 大陣仿真

A. CST微波工作室®的特點(diǎn)

本柱面裂縫陣的天線口徑達(dá)到

，加之其具有共形結(jié)構(gòu)，且柱面縫隙、感性膜片等部分非常精細(xì)，這使得對(duì)其進(jìn)行全波仿真分析變得非常復(fù)雜。

3D電磁場(chǎng)仿真軟件CST微波工作室®采用有限積分算法，此算法能快速處理時(shí)域?qū)拵Ш碗姶蟪叽鐔?wèn)題。有限積分算法中使用了理想邊界擬合®(PBA)技術(shù)后，與經(jīng)典的FDTD算法只限于階梯網(wǎng)格近似(Staircase Mesh)相比，CST微波工作室®不僅保持了結(jié)構(gòu)化直角坐標(biāo)系網(wǎng)格的所有優(yōu)點(diǎn)，并且可以對(duì)曲線結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模，實(shí)現(xiàn)了精度與速度的雙重保證。CST微波工作室®擁有業(yè)內(nèi)最佳的三維建模界面，可以迅速準(zhǔn)確的建立和修改三維幾何模型，其時(shí)域求解器可在一次激勵(lì)仿真下就完成全頻段參數(shù)特性的計(jì)算，因此非常適合本問(wèn)題的建模與仿真。

B. 建模

利用模型的對(duì)稱性，建模時(shí)只需建立一半結(jié)構(gòu)，即可利用對(duì)稱性完成仿真任務(wù)。

該模型由12根輻射波導(dǎo)和兩根饋電波導(dǎo)組成。輻射波導(dǎo)之間都有扼流槽，每根輻射波導(dǎo)上都有68個(gè)左右的輻射縫隙。天線陣被分成I、II兩個(gè)子陣，兩個(gè)饋電波導(dǎo)分別位于兩個(gè)子陣中。每根饋電波導(dǎo)上都有對(duì)應(yīng)于輻射波導(dǎo)的12個(gè)饋電縫隙，金屬膜片與饋電縫隙相對(duì)應(yīng)。

輻射縫隙不僅數(shù)量多，而且每一根輻射波導(dǎo)上的縫隙并不相同，無(wú)法直接使用對(duì)稱性建模。如果單獨(dú)建模每一個(gè)縫隙，無(wú)疑工作量是巨大的。這里采用一種基于CST VBA宏命令的半自動(dòng)建模方法來(lái)簡(jiǎn)化這一繁瑣的過(guò)程。

最后仿真用模型如圖9所示，I子陣的饋電波導(dǎo)端口設(shè)置為端口1，II子陣饋電波導(dǎo)端口設(shè)置為端口2。端口1和端口2的幅度比為0.637：1。

C. 仿真結(jié)果

使用CST微波工作室的時(shí)域求解器，整個(gè)裂縫陣天線仿真的總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到142,156,080，精細(xì)分辨了裂縫陣和饋電波導(dǎo)金屬膜片等微小結(jié)構(gòu)。圖10、圖11分別給出了中心頻率f0下，天線P面與Q面方向圖。

圖9 波導(dǎo)端口設(shè)置

圖10 P面增益方向圖

圖11 Q面增益方向圖

可以看出，天線增益達(dá)到了38.4dB，P面副瓣電平：-22.1dB，波束寬度為0.6°;Q面副瓣電平-13.3dB，波束寬度為5.6°。仿真結(jié)果和理論設(shè)計(jì)取得了較好的一致。

4、結(jié)論

該天線采用了一種新的相位控制的技術(shù)，補(bǔ)償了由于柱面縫隙陣射線路程長(zhǎng)度不等所引起的相位差，實(shí)現(xiàn)了Q面共形設(shè)計(jì)，通過(guò)CST商業(yè)仿真軟件仿真驗(yàn)證了方案的正確性，為共形陣列天線的設(shè)計(jì)又提供了一種新的方案選擇。仿真結(jié)果表明，天線達(dá)到了所需的指標(biāo)要求，其主要技術(shù)指標(biāo)有：P面半功率波束寬度：0.6°，P面副瓣電平：-22dB，Q面半功率波束寬度：5°～6°，Q面副瓣電平：-12dB左右，增益大于37.7dB，與理論設(shè)計(jì)非常吻合。