Ku波段波導縫隙全向天線設計

魏文博,張洪濤（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

?

Ku波段波導縫隙全向天線設計

魏文博,張洪濤
（中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088）

摘 要：本文介紹了一種新穎的Ku波段波導縫隙全向天線設計，該天線通過在圓波導柱面上開鑿一定數量的傾斜縱向縫隙，組成縫隙陣列。經過優化設計和仿真，天線在方位面360o范圍內，增益起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，天線增益大于7.5dB，可用于雷達、基站通信等系統中。

關鍵詞：圓波導；縫隙陣；全向；天線

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。

通常為了增強縫隙天線的方向性，在圓波導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。

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、微波通信以及廣播電視系統中廣泛使用。

對于波導縫隙全向天線，傳統的設計方法主要有三種，第一種是單根矩形波導雙面開設輻射縫隙的全向天線［1］，這種天線增益可達10dB以上，但是水平不圓度較差，在水平面增益差達2dB以上。第二種是由梯形波導縫隙天線組成的圓環陣［2］，增益可以達到10dB以上，方位面不圓度小于6.5dB，這種中心饋電的波導縫隙圓環陣，結構復雜，加工難度較大。第三種是在圓波導的側壁上開鑿縱向輻射縫隙，通過調諧激勵探針的方法來激勵輻射縫隙，從而實現全向天線的性能［3］，這種全向天線的不圓度較好，但是其增益一般只能做到5dB以下，并且結構比較復雜。

本文提出了一種新穎的波導縫隙全向天線設計，在圓波導側壁上開設一系列的傾斜縱向輻射縫隙，仿真結果顯示，在方位面360o范圍內增益起伏小于0.5dB，方位面不圓度較好，天線增益優于7.5dB，可用于雷達和基站通信系統中。

2 波導縫隙全向天線設計

波導縫隙陣列天線可分為諧振陣列天線（駐波陣）和非諧振陣列天線（行波陣）兩種形式。我們這里設計的波導縫隙全向天線屬于波導縫隙諧振陣列天線的范疇，具體來說，這類天線一般在圓波導的一周均勻加工6～8個縱向縫隙，已實現全向性的要求。合理選擇圓波導的內徑?值，使得相鄰縫隙間間距約為λg/2，每個縫隙的長度約為λ/2，其中λg為波導的工作波長，λ為自由空間工作波長，縫寬一般取2～3mm，終端設置短路板，短路板距終端縫隙中心約為λg/2，縫隙的傾角為θ，于是天線陣的各縫隙單元被同相激勵，波導處于諧振狀態，最大輻射方向與波導表面垂直。

這里圓波導的一周按照6個傾斜縱向輻射縫隙來設計，為獲得更高的增益，設計了4排縫隙陣列，全向波導縫隙陣列天線結構示意圖如圖1所示。

3 設計結果

對于該全向波導縫隙天線，采用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行了全波仿真分析，輻射縫隙的長度為10mm，縫隙的傾角為20度，圓波導的內壁直徑為22mm，波導的壁厚為1mm。圖2給出了中心頻點的立體方向圖，可以看出天線的全向性非常好。

圖3所示為天線的回波損耗仿真曲線，由仿真結果可以看出，在頻段14.2-15.6GHz的帶寬內，天線的回波損耗小于-10dB。

圖4為天線在頻帶內低、中、高頻率點仿真的E面、H面遠場輻射方向圖。由圖可以看出，在整個頻帶內，天線在方位面360o范圍內具有很好的全向性，不圓度小于0.5dB。

4 結論

本文設計了一種Ku波段波導縫隙全向天線，該天線在圓波導上開設傾斜的縱向縫隙，結構簡單，易加工，在方位面360度內起伏小于0.5dB，具有很好的全向特性，可應用在雷達、通信等系統中。

參考文獻：

［1］.Elliott R．S．Antenna theory and design．Englewood Cliffs［C］，NJ： Prentice Hall,1981．

［2］.Cheng-geng Jan，Powen Hsu． Moment method analysis of sidewall inclined slots in rectangular waveguides［J］.IEEE Trans．On Antennas and Propagation,1991,39（01）：68-73．

［3］.謝艷萍，郭慶功.C波段波導縫隙全向天線的設計與實現［J］.信息與電子工程，2007,2（05）：119-122.

［4］鄭琨,王英民,曲少春.波導縫隙全向天線設計與仿真［J］. 2010,8（27）：316-324.

［5］方正新，張立新.S波段圓波導縫隙全向天線的設計［J］.火控雷達技術,2013,1（42）：79-81.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.191

作者簡介：魏文博（1979-）， 男，陜西寶雞人，博士，高級工程師，主要從事雷達總體設計及天線技術研究。