一種抑制波導窄邊縫隙陣列天線交叉極化的方法

陳曉鵬，陳文俊，石 磊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

一種抑制波導窄邊縫隙陣列天線交叉極化的方法

陳曉鵬，陳文俊，石 磊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

為了抑制波導窄邊縫隙陣列天線交叉極化電平，采用一種在波導外壁開非傾斜縫隙、在波導內壁開傾斜縫隙的方法。利用電磁仿真軟件HFSS進行仿真，得到孤立縫隙與陣中單個縫隙的電導函數。設計了一個47單元X波段波導窄邊縫隙均勻直線陣列，與常規縫隙陣列相比，天線交叉極化電平降低了6.8 dB。

波導窄邊縫隙陣列；非傾斜縫隙；HFSS；交叉極化

0 引 言

波導縫隙陣天線以其天線口徑幅度分布容易控制、口徑利用率高、易獲得高增益和低副瓣特性等優點，被廣泛應用于雷達和微波通信系統。

對波導窄邊斜縫天線陣，由于縫隙傾斜引起較高的交叉極化電平，設計時必須采取適當方法進行抑制。對單根波導情況，可在縫隙陣前方加裝平行柵網、直接在縫隙陣上加裝平行隔板或利用扼流槽抑制交叉極化所激勵的表面電流[1]，也可以通過調整天線與地板的間距，使交叉極化反射波與直射波相消[2]。對波導陣列的情況，可將相鄰的兩根波導對稱放置，使交叉極化反相[3]。

另一種抑制波導窄邊縫隙交叉極化電平的方法是在窄邊開非傾斜縫隙。這種輻射縫隙垂直于波導軸線，只有平行于波導軸線的電場分量，有優越的交叉極化特性。自20世紀80年代開始，國內外學者陸續提出了多種非傾斜縫隙單元[4-9]，在非傾斜縫隙附近放置不同形式的擾動塊，如銷釘、金屬膜片、矩形塊、寄生偶極子等，使非傾斜縫切割波導內壁電流產生輻射。擾動塊物理尺寸、位置都與縫隙單元的等效電導密切相關，精確計算難度大，目前常用于均勻直線陣列的設計[9]。

本文基于波導扭轉元件[10]改變電磁波極化方向的原理，提出一種在波導外壁開非傾斜縫、在波導內壁開傾斜縫的扭轉縫隙。這種縫隙不外加裝置，單根波導即能較好地抑制交叉極化電平。仿真設計了一個47單元X波段波導窄邊縫隙均勻直線陣列。

與常規縫隙陣列相比，該天線具有抑制交叉極化的特性。

1 交叉極化抑制原理

圖1是常規波導窄邊傾斜縫隙，波導內壁電流線被傾斜縫隙切割，能量被耦合出來。圖中虛線所在平面為波導內壁所在平面，內壁上的縫隙感應電場矢量垂直于縫隙長度方向，與波導軸線成一定夾角。縫隙在內壁與外壁之間的腔體等效于一小段波導，電磁波由內壁傳播至外壁，電場極化方向不變。波導外壁縫隙電場可分解為平行于波導軸線的分量和垂直于波導軸線的分量，垂直分量為交叉極化分量。

圖1 常規波導窄邊傾斜縫隙示意圖

圖2給出了扭轉縫隙的結構示意圖，內壁縫隙與圖1相同，外壁縫隙垂直于波導軸線。內外縫隙幾何中心重合，與波導扭轉元件相同，可改變電場的極化方向而不改變其傳輸方向。扭轉縫隙與常規縫隙在內壁所開縫隙相同，切割相同內壁電流，同樣傾斜角度的內壁縫隙耦合出的能量相同。在扭轉縫隙腔體內，電場矢量方向總是垂直于腔體內表面，電磁波從內壁傳播至外壁，電場方向逐漸改變。外壁縫隙上的電場矢量方向平行于波導軸線，沒有垂直于波導軸線的分量，因此可抑制交叉極化電平。

圖2 改進波導窄邊縫隙示意圖

2 縫隙等效電導

孤立縫隙等效電路如圖3，Pin為輸入功率，Pr為縫隙輻射功率，PL為負載吸收功率，功率指有功功率。yL代表負載歸一化導納，y=g+jb代表縫隙歸一化等效導納,g為縫隙歸一化等效電導，b為縫隙歸一化等效電納。縫隙等效導納消耗的能量即為縫隙輻射能量。

圖3 孤立縫隙等效電路

各功率間關系為

PL=Pin-Pr

(1)

兩邊除以PL，即

(2)

對匹配負載yL=1，有

(3)

因此

(4)

其中r=PL/Pin為匹配負載相對吸收功率。

在HFSS中建模仿真，提取S參數，用式(5)計算r，代入(4)式計算g。

(5)

掃描切入深度，取g最大時的深度為諧振深度。改變縫隙傾斜角度，依次得到不同傾角對應的歸一化諧振電導，如圖4曲線1。

由于線陣中輻射單元間存在互相耦合，其有源導納值將偏離孤立縫隙導納值。建立47個尺寸完全相同縫隙組成的線陣模型進行仿真，各縫隙間距與實際間距相同，相鄰縫隙交替倒向。用文獻[1]的方法計算有源導納值，如圖4曲線2。

圖4 縫隙諧振電導

圖4顯示，陣中單個縫隙的有源諧振電導大于孤立縫隙的諧振電導，陣中單個縫隙的輻射能力大于孤立縫隙。曲線3為常規縫隙的有源諧振電導，比較曲線2和3，相同傾斜角度對應的諧振電導幾乎相等，因此外壁開非傾斜縫隙而內壁縫隙不變，不改變縫隙的輻射能力。

3 縫隙陣列天線設計

用扭轉縫隙作輻射單元設計一個47單元均勻直線行波陣。圖5是仿真結果方向圖，左右交叉極化瓣分別為-26.9 dB和-24.6 dB。 圖6是用常規縫隙設計的47單元均勻直線行波陣天線方向圖，縫隙傾斜角度與扭轉縫隙相同。圖5、6顯示，扭轉縫隙設計的均勻直線陣列，左右交叉極化電平分別比常規縫隙低6.8 dB和6.9 dB。

圖5 扭轉縫隙均勻直線陣方向圖

圖6 常規縫隙均勻直線陣方向圖

常規縫隙陣和扭轉縫隙陣的增益分別為21.6 dB和21.8 dB，歸一化副瓣最大值分別為-12.7 dB和-13.5 dB。

圖7是常規縫隙均勻直線陣和扭轉縫隙均勻直線陣饋電端電壓駐波比比較圖，電壓駐波比小于1.09的帶寬變化不大。f0為天線工作中心頻率，在中心頻率f0及高頻f>f0,扭轉縫隙陣的電壓駐波比小于常規縫隙；在低頻f

圖7 饋電端電壓駐波比比較圖

4 結束語

本文提出一種單根波導不外加其他裝置抑制交叉極化的方法，在波導內壁開傾斜縫隙，在外壁開非傾斜縫隙，結合了常規縫隙電導函數容易提取的特性和非傾斜縫隙的低交叉極化特性。分別以常規縫隙和扭轉縫隙設計了47單元均勻直線陣列。仿真結果顯示扭轉縫隙陣可將交叉極化改善6dB以上，增益、副瓣電平等指標參數優于常規縫隙陣。

[1] 鐘順時.波導窄邊裂縫天線的設計[J].西北電信工程學院學報，1976,1(1):165-184.

[2] 史永康，等.一種窄邊波導縫隙行波陣天線抑制交叉極化的新方法[J].遙測遙控，2011,32(3):51-54.

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[10] 劉學觀，郭輝萍. 微波技術與天線[M]. 西安：西安電子科技大學出版社,2006.

A method of cross polarization suppression of waveguide narrow-wall slot arrays

CHEN Xiao-peng, CHEN Wen-jun, SHI Lei

(No. 724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

In order to suppress the cross polarization level of the waveguide narrow-wall slot arrays, the waveguide with untilted slots on the outside wall and tilted slots on the inside wall is adopted. HFSS is used to do the simulation to get the conductance function of the isolated slot and the single slot in arrays. A 47-element X-band waveguide narrow-wall uniformly linear slot array is designed. The cross polarization level is suppressed by 6.8 dB compared with the conventional slot arrays.

waveguide narrow-wall slot array; untilted slot; HFSS; cross polarization

2013-11-12；

2013-12-02

陳曉鵬(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：微波天線技術；陳文俊(1970-)，男，博士，研究員，研究方向：微波技術； 石磊(1983-)，男，工程師，碩士，研究方向：天饋線設計。

TN814

A

1009-0401(2014)01-0022-03