波导缝隙阵仿真设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

波导缝隙阵仿真设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

动基站塔上的通信天线、全球定位系统（ GPS）接收天线和大家手机内的天线，等等。 天线种类繁多，大小不一，千姿百态，尽管它们之间的差异很大，但都是基于相同的辐射与接收机理，都是以电磁场理论为基础进行分析与设计的。 正因为如此我才要先大体简单的介绍下天线。 天线的主要功能首先是能量转换：将发射机经传输线的射频导波能量变换成无线电波能量向 空间辐射（发射天线），或反之（接收天线）。 所以天线是导行电磁波与空间电磁波之间的转换器 [3]。 另一主要功能是：能量的发射与接收具有方向性，即，天线具有对能量进行空间分配的功能。 例如，卫星地面站天线能将辐射能量集束成一个很窄的主波束，并将它指向卫星，其作用就如同探照灯的聚光作用一样。 第三个功能是：辐射或接收指定的极化波，即天线能形成所需的极化。 例如，在卫星广播中为实现频谱复用，往往要求卫星有双极化能力。 为能满足这些天线的功能，对其提出了一系列具体的要求。 表达这些要求的电指标称为天线的电参数，如辐射效率、 波束宽度、方向系数、增益、输入阻抗、极化和频带宽度等，在一些无线电系统中，天线的电参数直接决定其整个系统的性能指标。 随着人们的需求，导致了形形色色、性能万千的天线结构的应用，本次设计主要研究为波导缝隙阵天线 [4]。 5 波导缝隙阵概述 在导体面上切一开口，即缝隙，馈电后形成辐射，称为缝隙天线，也称为开槽天线。 它通过导体面上和二导体面之间的缝隙向外辐射，其辐射可看成是由缝隙上的等效场源 磁流元形成的。 波导缝隙天线阵一般由许多开在矩形波导壁上的半波缝隙组成 【 5]。 波导缝隙构成的天线阵列主要有两 种形式，即波导宽边开缝而构成的缝隙天线阵和波导窄边开缝而构成的缝隙天线阵。 前者不但电气性能优良，而且还有厚度小，功率容量大等特点，且缝间互祸较小，没有交叉极化分量，在机载火控雷达、导弹等方面起到非常重要的作用。 根据裂缝单元间距和馈电方式的选择，宽边缝隙阵又可分为两种：一种是由行波激励的非谐振缝隙阵，一种是由驻波激励的谐振缝隙阵。 在工作频段范围内相邻缝隙之间的距离稍大于或稍小于λ g/2(λ g是波导中的波长 )的称为非谐振缝隙阵。 相邻的缝隙之间的距离等于λ g/2的称为谐振缝隙阵。 波导的终端决定了阵的形式，非谐振 缝隙阵沿波导传输到终端负载，建立起沿波导轴向的行波分布。 行波电流通过缝隙时将激励缝隙，因此缝隙能放在相对于波导负载的任何位置上，缝隙间的距离和传播常数决定了它们的相对相位。 谐振缝隙阵中的电磁波沿波导传输到短路板处，建立起沿波导轴向的驻波分布，并产生驻定的正弦电流幅度分布，其相位沿波导轴向线性变化。 处于驻波电流零点的缝隙不会切断电流，也就不会被波导激励。 因此可以改变缝隙在波导上的位置来改变对缝隙的激励幅度。 需要指出的是，不论是哪种形式的阵列，缝隙都工作在谐振状态 [6]。 波导裂缝阵天线的组成 波导裂缝阵由若干条辐射阵面、一条交叉放置的耦合波导、一个为耦合波导馈电的馈电波导共 3个部分组成。 馈电波导将能量耦合到耦合波导之中，耦合波导通过祸合裂缝将能量按要求耦合到辐射波导，辐射波导中的辐射裂缝再将能量按口径分布的幅度、相位要求辐射出去。 裂缝的设计要满足天线口径上场的分布，同时，使每个子阵的馈电口阻抗匹配 [7]。 辐射阵面 辐射阵面由一系列开有宽边偏置并联裂缝的谐振阵波导构成，每一个裂缝切割波导壁上的面电流产生裂缝的电磁场，并向外空间辐射电磁波。 根据要求的天线口径场分布得到各个裂缝 的归一化导纳值。 通过控制裂缝的长度、偏移来调整 6 每个裂缝的归一化导纳值，从而得到所要求的天线性能。 辐射波导一般采用谐振阵，即两相邻裂缝相距λ g/2，最末一个裂缝到短路板的间距为λ g/4。 各裂缝交替地向波导中心线左右两边偏置，使裂缝相位改变为 180度，以弥补波导内驻波在相邻的缝之间的 180度相移。 在实际工程设计中将会遇到以下问题 : (1)由于辐射阵面波导上最末端的裂缝到短路板的距离为λ g/4，而天线的口径面尺寸限定致使这一关系无法满足，如果减少阵面裂缝的数目将会影响天线的副瓣电平。 为此，常在波导末端填 充大介电常数介质以减小波导波长λ g 从而满足尺寸要求。 (2)在结构设计方面为保证焊接时裂缝的位置不发生偏移，应在适当的位置加上定位构件。 同时也要考虑填充介质与金属在焊接时的固定。 耦合波导 耦合波导是开有宽边倾斜串联裂缝的谐振阵波导构成。 耦合波导装在辐射阵面的后面，并与辐射阵面正交，耦合波导激励各个倾斜串联裂缝，每个倾斜串联裂缝的倾斜角决定了该裂缝的等效阻抗，从而确定每个辐射波导内的功率电平。 耦合波导一般采用谐振阵，即两相邻裂缝相距λ g / 2 最末一个裂缝到短路板的间距为λ g/2。 各裂缝交 替地向相反的方向倾斜使裂缝相位改变 180 度，以弥补波导内驻波在相邻缝之间的 180 度相移。 在实际工程设计中将会遇到以下问题 : 与辐射波导相类似，波导最末一个裂缝到短路板之间的距离不可能刚好满足λ g/2 的关系，为此需设法延长波导的长度，此时可采用将波导向上折起的办法来增加波导长度。 馈电波导 馈电波导是耦合波导和馈电网络的连接部分，在该部分要充分考虑到阻抗匹配的问题。 在实际设计中是在波导中加入销钉和膜片，以及设置合理的波导短路块调节装置来达到阻抗匹配的。 馈电波导内电磁波的相位 关系与它上面裂缝的倾斜方向有着密切的联系，可以利用这一因素设计合理的网络，从而达到简化天线结构的目的。 总之，波导裂缝阵列天线的各个部分是一个有机的整体，每一部分设计的不合理都会导致整机性能的下降。 而每个部分都有各自的设计难点。 7 缝隙类型 缝隙类型简介 最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。 由电磁场理论，对 TE10 波而言，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量， 横向分量 的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零， 纵向电流 沿宽边呈正弦分布，中心处最大；而波导窄壁上只有 横向电流，且沿窄边均匀分布 [8]。 图 3波导缝隙形式及面电流分布情况如果波导壁上所开的缝隙能 切割电流线 ，则中断的电流线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波导内的传输功率通过缝隙向外辐射，这样的缝隙也就被称为 辐射缝隙。 当缝隙 与电流线平行 时，不能在缝隙区内建立激励电场，这样的缝隙因得不到激励，不具有辐射能力，因而被称为 非辐射缝隙。 缝隙 g虽然与纵向电流平行，但是其旁边 设置了电抗振子 h，电抗振子是插入波导内部的螺钉式金属杆，由于该螺钉平行于波导内部的电场，因此被感应出的传导电流流向螺钉底部处的波导内壁 而形成径向电流，于是纵缝 g 可以切断其中的一部分而得到激励 [9]。 图 3波导缝隙形式及面电流分布情况 下图 4为波导缝隙的等效电路图 [10] ah gbfedc 8 图 4波导缝隙阵的等效电路图 史蒂文森已导出各种形式缝隙的归一化电导或电阻的计算公式。 其特点是利用互易定理求出缝隙的前向和后向散射场，再利用波导中的功率平衡方程求出其等效电导或电阻。 下面简单举例介绍三种波导缝隙的归一化等效电导或电阻 宽边纵向半波谐振缝隙（图 5） 谐振缝隙如果波导缝隙采用了谐振长度，它们的 输入电抗或输入电纳为零，即等效串联阻抗或并联导纳中只含有实部，不含有虚部。 a x 1grx 1a bg( a ) ( b ) ( c ) 图 5 宽边纵向半波谐振缝隙等效电路图 其归一化电导为 （ 21） 宽边波谐振缝隙（ 图 6） a x 1grx 1a bg( a ) ( b ) ( c ) 图 6 宽边横向半波谐振缝隙 baa a a bg ＋ jbr ＋ jx r ＋ jx r ＋ jxg ＋ jb g ＋ jb2212 . 0 9 s i n ( ) c o s ( )2ggxg ba    9 其归一化电阻为 （ 22) 窄边斜半波谐振缝隙（图 7） a x 1grx 1a bg( a ) ( b ) ( c ) 图 7 窄边斜半波谐振缝隙 其归一化电导为 323s i n c o s ( s i n )20 .1 3 1 [ s i n ]1 ( s i n )gggg ab     （ 23） 有了相应的等效电路，波导内的传输特性就可以依赖于 微波网络理论 来分析，例如后向散射系数 |s11|及频率响应曲线，从而更方便地计算矩形波导缝隙天线 的电特性，例如传输效率及匹配情况。 在已获得匹配的波导上开出辐射缝隙，将会 破坏波导的匹配 情况。 为了使带有缝隙的波导匹配，可以在波导的末端短路，利用短路传输线的反射消去谐振缝隙带来的反射，使得缝隙波导得到匹配。 典型波导缝隙阵天线介绍 波导缝隙天线阵一般由许多开在矩形波导壁上的半波缝隙组成。 下面介绍几种 常见缝隙阵： 为 开在宽壁上的横向谐振缝隙阵（ 图 8） 为 保证各缝隙同相 ，相邻缝隙的间距应取为 λ g。 由于波导波长 λ g大于自由空间波长，这种缝隙阵会出现栅瓣，同时在有限长度的波导壁上开 出的缝隙数目受到限制，增益较低，因此实际中较少采用。 23 2 2 ( ) c o s ( ) c o s ( )4g xr b ab a a    10 图 8 开在宽壁上的横向谐振缝隙阵 纵向谐振缝隙阵（ 图 9） 利用了在 宽壁中心线两侧对称位置处横向电流反相、沿波导每隔 λ g/2场强反相 的特点，纵。