S波段圓波導縫隙全向天線的設計

方正新 張立新

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230088)

1 引言

縫隙天線陣元的形式多種多樣[1，2]，這是由于波導場分布的特點使單個縫隙天線(陣元)的位置比較靈活，甚至只要附加適當的激勵元件，就可使在不同輻射位置上的縫隙也變成輻射元。

通常我們為了增強縫隙天線的方向性，在圓波導的側壁上按一定規律開多條尺寸相同的縫隙，即構成圓波導縫隙天線陣[3，4]。

圓波導縫隙陣列天線具有機械強度好、結構緊湊、輻射效率高、耐腐蝕、便于加工等一系列優點，因而在雷達、微波通信以及電視廣播系統中廣泛使用。

水平極化圓波導縫隙天線可以在L、S、C、X等波段廣泛實現，在低于或高于以上波段時因為體積或加工精度要求等方面原因，就不建議采用這種形式了。

本文將圓波導縫隙天線用于實現S波段全向天線，實測結果顯示，在360°范圍內起伏很小，滿足了全向性要求，設計取得了成功并順利應用到了雷達產品中。

2 天線設計和仿真

縫隙陣列天線可分為諧振陣列(駐波陣)和非諧振陣列(行波陣)兩種形式[5～11]。我們這里設計成功的圓波導縫隙天線屬于駐波天線的范疇，具體來說，這類天線一般在圓波導的一周均勻加工6～7個縱向縫隙，合理選擇圓波導的內徑φ值，使得相鄰縫隙間距約為λg/2，每個縫長度約為λ/2，縫寬取2～3mm，終端放置短路板，短路板距終端縫隙中心約為λg/2，在每個縫的中心位置的一側裝有激勵探針，于是天線陣的各縫隙單元被同相激勵，波導系統處于諧振狀態，最大輻射方向與波導表面垂直。我們這里按6個縱向縫隙來設計，為了獲得更高的增益，設計了兩排縫隙陣列，圓波導縫隙天線結構圖如圖1所示，圓波導縫隙天線俯視圖如圖2所示。

在初步計算了天線的各項基本參數后，借助射頻仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行了仿真分析和優化，分別得出圓波導內徑φ=100mm，L1=47mm，L2=143mm，L3=57mm，L4=51mm。由于探針伸出圓波導長度對天線的性能影響十分敏感，其尺寸留待測試過程中確定，探針的粗細對天線的電性能影響不明顯，這里取探針的直徑為3mm進行設計。

3 測試結果

根據上述優化計算尺寸加工出了天線單元，經測試發現，在有關尺寸確定后，探針伸出圓波導的長短對天線的性能影響明顯，主要表現在駐波變化、方位面幅度起伏即全向性變化等方面，其影響見表1所示。經綜合權衡，最終取探針伸出圓波導長度為23mm。圖3為電壓駐波比測試與仿真計算結果對比曲線。圖4為天線在頻帶內高、中、低頻率點測試的E面、H面遠場輻射方向圖。由圖3可以看出，在設計要求的2.7～3.0GHz頻帶范圍內，電壓駐波比都能小于1.6。由圖3可以看出在360°范圍內天線具有很好的全向性，整個頻帶內E面遠場輻射方向圖幅度起伏不超過1.9dB。

表1 探針伸出圓波導長度對天線性能的影響

圖3 圓波導縫隙天線電壓駐波比測試與仿真曲線對比

圖4 天線遠場輻射方向圖測試曲線

4 結論

本文設計了一種S波段圓波導縫隙全向天線，該天線方位面在360°范圍內幅度起伏小，具有很好的全向特性，目前天線已成功地應用到了雷達產品中。

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