L波段寬帶超低副瓣波導縫隙陣列天線設計*

陳良圣

（安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000）

0 引 言

相比于偶極子平面陣列天線等天線形式，波導窄邊裂縫陣列天線具有功率容量大﹑輻射效率高﹑寬垂直波束﹑窄水平波束和易于實現低副瓣和賦形波束等優點，廣泛應用于雷達和微波通信系統中。特別對于岸基監視雷達和船用導航雷達，要求在顛簸的情況下實現垂直面的覆蓋，同時在水平面滿足高精度定位和抗干擾能力[1]。此時，波導窄邊裂縫陣列天線具有明顯的優勢。

對雷達來說，應付干擾源和ARM的有效方法一般有兩種：一是盡量降低雷達天線的副瓣電平；二是寬頻帶內的頻率捷變技術和可變重復周期技術[2]。如何實現波導窄邊裂縫陣列天線的寬頻帶和極低副瓣，國內外學者進行了大量研究，但受算法和加工誤差等因素影響，實現超低副瓣仍存在諸多困難[3-4]。

綜上所述，本文在對波導窄邊裂縫陣列天線的關鍵技術進行分析的基礎上，設計制作了一款L波段超低副瓣波導裂縫陣列天線。實測結果表明，該天線副瓣電平遠低于-42 dB，優于現有許多設計指標，且具有增益高﹑頻帶寬和水平波束窄等優點，能夠很好地滿足岸基監視和船用導航等雷達的設計需求。

1 關鍵技術分析

1.1 縫間距、線源間距選擇

在波導窄邊上開傾斜裂縫，破壞了波導內的行波狀態，使開縫處產生反射波，而各裂縫反射波在波導輸入端形成總反射。縫隙間距dx決定了相鄰縫隙之間的相位差，因而將決定天線的輸入駐波比。一般根據式（1）選擇縫隙間距：

波導裂縫線陣間的距離要遵守在實空間中不出現柵瓣邊緣的準則。該準則常用公式表示如下：

式中：λmin是頻段內的最短工作波長，θmax是波束相對于陣面法向的最大掃描角，Δ=1/NP，NP是裂縫線源數[5]。

1.2 縫隙寬度選擇

縫隙寬度由線陣的耐功率要求和工作頻帶寬度確定。裂縫越寬，線陣耐功率能力越好，工作頻帶也越寬。一般縫隙寬度近似滿足以下不等式：

1.3 陣中縫隙有源導納的提取

陣中波導裂縫導納與裂縫幾何參數的關系，是設計波導裂縫線陣的主要依據，通常分為理論計算法和實驗測試法。因裂縫間內部互耦和外部互耦對該縫的諧振頻率﹑諧振電導和電納的影響，導致陣中裂縫諧振導納的理論分析具有不準確性和近似性。實驗測試法是精確確定陣中裂縫諧振導納十分有效的方法，但由于低副瓣波導裂縫線陣中的縫數很多，要精確測試所有傾角的諧振電導，成本高﹑工作量巨大，且當傾角很小時由于被測量小而測不準。因而，本文采用實測與理論分析相結合的方法，在一定規模小陣中測量多個縫隙的陣中平均導納值。測得了少數幾種傾角裂縫的平均導納值后，再對理論分析模型進行適當修正，從而確定整個線陣中所有裂縫的幾何參數，完成低副瓣裂縫線陣的設計。

對于有N個傾角﹑寬度﹑長度間距均相等的開縫波導，可將其等效為雙線上并聯N個歸一化導納的二端口網絡，如圖1所示。

圖1 波導窄壁縫隙陣及其等效電路

根據傳輸線理論，有：

當縫數＞20時，可忽略邊緣效應，被測縫隙波導的總傳輸矩陣為：

式中：

式中，y是縫隙的歸一化導納，g是電導，b是電納，β是矩形波導中主模的傳輸常數，λg是主模的導波長，可以通過軟件仿真求得。

令總的傳輸矩陣[T]為：

而散射矩陣參量與傳輸矩陣參量之間的關系為：

測得縫隙波導的復數散射參數S21，將式（3）～式（8）代入式（2），再利用式（9）～式（11）就可以得到關于縫隙的電導和電納的一個聯立方程組，從而可解得陣中縫隙的電導和電納值。由于測試是在一定頻率范圍內進行的，故得到的是陣中縫隙的電導和電納隨頻率的變化關系。根據實驗和仿真計算，得到幾組不同角度的諧振電導與諧振長度。由這些數據可擬合兩條曲線：縫電導隨傾角的擬合曲線g(θ)和縫深隨傾角的擬合曲線l(θ)。通過曲線擬合，得到任一電導對應的縫的傾角，每一傾角對應一個縫深。

2 天線設計

雷達工作頻段為L波段。考慮到該雷達的低副瓣要求，采用標準矩形波導BJ14，口徑為165.1 mm×82.55 mm。

陣面組成示意圖如圖2所示，共由30根行線源組成。根據陣面增益要求，線源間距定為dy=135 mm，俯仰口徑Ly=135 mm×30=4 050 mm；綜合分析取縫寬w=15 mm，縫間距dx=128 mm。考慮波束寬度指標要求，每條行饋上開72個縫隙，水平方向有效口徑Lx=128 mm×72=9 216 mm。為了抑制交叉極化的影響，設計時采用較小的裂縫傾角分布，且相鄰行線源之間的裂縫倒置安放。由于本天線系統頻帶較寬，且水平電口徑較小，設計時需折衷考慮帶寬拓展與交叉極化抑制的矛盾。

圖2 陣面組成

2.1 縫隙導納測試

選用五根等長開有72個裂縫的矩形波導組成試驗小陣，所有裂縫的寬度﹑傾角及縫間距均相等。選擇小角度4°﹑7°﹑10°和大角度15°﹑19°﹑23°六種傾角的裂縫進行陣中裂縫導納測試，測得的S參數計算的不同傾角小陣的導納隨頻率的關系曲線見圖3。

圖3 各傾角縫的導納曲線

2.2 確定口徑場分布及電導分布

為了實現方位面超低副瓣電平，考慮到裂縫線源加工中的隨機誤差﹑裂縫間互耦影響以及線源設計中的設計剩余誤差等因素，方位面擬采用-50 dB泰勒口徑分布。由此得到的口徑激勵分布曲線如圖4所示。

圖4 方位面理想口徑激勵分布曲線

得到的泰勒口徑電壓分布設為Am，矩形波導衰減常數α=0.202 8 Np/m，天線輻射效率η取97%，則第一個縫（靠近激勵端口）的電導為：

其他縫的電導值可按式（16）遞推：

最終得到輻射效率為97%﹑-50 dB副瓣的泰勒口徑分布的電導分布，如圖5所示。

圖5 裂縫線源各縫隙電導分布

2.3 確定線陣的傾角分布和對應的諧振長度

由天線陣的電導分布，可由擬合的電導隨傾角﹑縫深隨傾角的變化曲線得到天線陣各縫單元的傾角和對應的縫深。仿真得到的縫隙角度與諧振電導﹑諧振切割深度的關系，分別如圖6﹑圖7所示。

根據上述方法，經過多次修調及仿真計算，同時考慮天線罩引入對諧 振電導的影響，可最終確定整個裂縫線源的縫隙參數[6]。

圖6 縫隙角度與諧振電導的關系曲線

圖7 縫隙角度與諧振切割深度的關系曲線

圖8 八元陣三頻點仿真波瓣圖

圖9 八元陣S21曲線

2.4 天線仿真與實測

天線的八元陣仿真方向圖如圖8所示。從圖8結果可以看出，工作頻帶范圍內（帶寬200 MHz），天線副瓣電平均小于-42 dB，3 dB波束寬度為2°（中頻），遠遠達到了設計指標的需求。圖9給出了天線的S21曲線仿真結果。

實際制作八元試驗陣，并在微波暗室內采用近場測試法進行波瓣測試，排除誤差影響，最終的實測結果與仿真結果基本一致。實物測試如圖10所示。

圖10 八元陣實測圖

圖11是波導裂縫天線陣的實測方向圖。從測試結果看，主瓣左側副瓣電平均低于-42 dB以下，主瓣右邊出現兩個電平較大的副瓣。理論分析知道，主瓣右側第一個大副瓣與主瓣位置對稱，是由終端反射波產生的鏡像副瓣，合理調整終端吸收負載即可抑制；主瓣右側第二個大副瓣是由于交叉極化產生的，組大陣即可得到很好的抑制效果。忽略這兩個因素的影響，副瓣電平基本滿足指標要求。

3 結 語

本文通過對低副瓣波導陣列天線設計關鍵技術的分析，采用實測與理論分析相結合的方法，極大地提高了天線設計精度，有效降低了天線的副瓣，設計了一款L波段寬帶超低副瓣波導縫隙陣列天線。實測結果表明，該天線具有工作頻帶寬﹑增益高和極低的副瓣電平，滿足于各種監視和導航雷達的設計要求，具有很高的實用價值。

圖11 八元陣三頻點實測波瓣圖

[1] 韋春海,李剛.波導窄邊縫隙天線的研究和設計[J].雷達科學與技術,2013,11(05):557-560.

WEI Chun-hai,LI Gang.Research and Design of Edge Slotted-wave Guide Antenna[J].Radar Science and Technology,2013,11(05):557-560.

[2] 孫召國,張玉梅,盧曉鵬.L波段寬帶超低副瓣偶極子陣列天線研制[J].微波學報,2006,22:5-10.

SUN Zhao-guo,ZHANG Yu-mei,LU Xiao-peng.The Study and Fabrication of A L-Band Wideband Ultralow Sidelobe Dipole Array Antenna[J].Journal of Microwave Eengineering,2006(22):5-10.

[3] 陳虎,何丙發.低副瓣波導窄邊大傾角縫隙天線研究[J].微波學報,2014(06):283-286.

CHEN Hu,HE Bing-fa.Study on Large Angle Slotted Waveguide Antenna with Low Sidelobe[J].Journal of Microwave Engineering,2014(06):283-286.

[4] 齊磊.低副瓣微波矩形波導縫隙天線的研究[D].南京:南京理工大學,2009.

QI Lei.Study on a Rectangular Slotted-wave Guide antenna with Low Sidelobe[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2009.

[5] 方正新,金謀平.L波段雙脊裂縫波導低副瓣陣列天線的設計[J].雷達與對抗,2012,32(04):43-46.

FANG Zheng-xin,JIN Mou-ping.The Design of An L-band Double-ridged Waveguide Slot Array Antenna with Low Sidelobe[J].Radar and Countermeasures,2012,32(04):43-46.

[6] 李霞.C波段波導縫隙陣列天線的分析與設計[D].西安:西安電子科技大學,2013.

LI Xia.The Design and Analysis of C Waveguide Slot Array antenna[D].Xi’an:Xi’an Electronic and Science University,2013.