柱面共形裂縫陣天線的設計與仿真 （一）1 前言

波導裂縫陣天線容易控制口徑面上的幅度分布和相位分布，口徑面的利用效率高，體積小，剖面低，重量輕，在雷達和微波通信系統中獲得了廣泛的應用。但越來越多的要求需要天線與平臺載體共形，這就對裂縫陣天線提出了更高的要求。柱面共形陣中需補償從圓柱面上各輻射源到設計想的平口面的路程差在平口面上引起的非線性相位差，比如直徑為30λ的圓柱上，弧寬約10λ的陣面路程差在等效平口面引起的最大相差達260°，通過計算標明，若不補償，天線主瓣會裂頭，因此必須對此進行設計，補償其相位差。

2 天線設計

A. 指標要求

頻率：f0±50MHz;

天線口徑：約

天線需與直徑f=30λ的圓柱共形

增益：35dB;

波束寬度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣電平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 電性能設計

裂縫陣天線由輻射層，耦合層和饋電系統組成，耦合層和饋電層在同一層，以滿足天線的厚度要求，耦合層為圓弧彎波導，通過其公共壁上的耦合孔向扇形波導饋電，圖1所示。

圖1 柱面共形陣列側示圖

(a) P面電性能設計

每一線源共136個陣元，其口徑分布按旁瓣電平-22dB的泰勒分布設計。圖2為其口徑幅度分布，根據圖2給出的激勵可以算得其相應的預期方向圖如圖3所示。波束的半功率寬度為0.59°，副瓣電平為-22dB。

圖2 線陣的幅度分布

圖3 天線線陣-22dB旁瓣泰勒分布方向圖

在本天線陣列中，出于對陣列工作頻率帶寬的考慮，每一線源被劃分成四根等長的短線源，而每部分的短線源與其平行排布的12根其它短線源組成的子陣后，再通過一個一到四的波導功分網絡來組合到一塊。由于陣面在軸向實行了幅度加權，因此各個子陣的輻射的功率并不都相同。為了滿足幅度分布，該功分網絡針對子陣的四個出口的功分比分別為0.144、0.356、0.356和0.144(或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB)。

(b) Q面電性能設計

Q面電性能設計為共形陣列的設計重點，即耦合陣列設計是天線設計重點，通過耦合陣列的設計來補償空間相位差。饋電波導耦合縫的位置和耦合強度決定了呈圓弧排列的線源在Q面的口徑分布。因Q面各線源不在空間同一平面位置所造成的相位差如圖4所示。

這樣的相位差必需進行補償，否則該面波束會出現凹陷，如果我們假設面陣在弧向方向的幅度按照均勻方式分布，其方向圖如圖5所示。

其空間相位差補償后的方向圖如圖6所示。由圖可見，通過饋電波導進行相位補償后Q面方向圖與原預期方向圖基本一致。即方向圖主瓣寬度為5.1°，副瓣電平-13.3dB左右，滿足對波束寬度和副瓣電平的指標要求。

圖4 空間相位差

圖5 未補相時的Q面方向圖

圖6 補相后的Q面方向圖

[page]柱面共形裂縫陣天線的設計與仿真 （二）[/page]相位補償的方案設計

在柱面共形陣的設計中，文獻[4]給出了一種相位補償的設計方法，其耦合波導采用行波陣，利用縫在寬波導內的上下偏置引起π相移，偏置的大小以及縫的傾角同時控制相移和幅度。在設計時必須適當選取輻射縫所處位置到假想平口面的相位與耦合波導中每個輻射波導的相位，使其剩余相位差較小的情況下，用斜縫的位置來補償這一相位差，設計比較復雜繁瑣，并且仿真驗證時發現，這種補償方式對輻射波導的兩端口所引起的相位并不一致。

該耦合波導采用寬邊開斜縫駐波陣，斜縫夾角相等，滿足Q面等幅分布，相鄰夾角正負反相，間距

，滿足同相分布，中間饋電給輻射波導。輻射波導上開縱向縫隙，采用駐波陣，通過縱向縫隙離耦合隙縫的距離來控制所需相位，P面幅度分布通過在輻射波導靠近隙縫的地方加感性膜片來實現。

通過控制輻射隙縫到耦合隙縫的距離，就可以達到控制輻射隙縫的相位，所需相位與距離之間的關系滿足(7)式。d為所需間距，所需相位與輻射波導中波導波長的關系式為

，為了驗證理論的正確性，通過建如圖7所示模型進行仿真，每個輻射隙縫相對耦合隙縫的間距為

，n取±1，±2，±3，對d進行參數化掃描，在饋電縫左右各取一個縫看近場相位，即可看出d與相位的關系，考慮一般性均取中間縫。仿真結果見圖8所示。

圖7 建模

圖8 相位與間距之間的關系

仿真結果與理論計算結果一致，進而驗證了這種饋相方案的正確性。

3 大陣仿真

A. CST微波工作室®的特點

本柱面裂縫陣的天線口徑達到

，加之其具有共形結構，且柱面縫隙、感性膜片等部分非常精細，這使得對其進行全波仿真分析變得非常復雜。

3D電磁場仿真軟件CST微波工作室®采用有限積分算法，此算法能快速處理時域寬帶和電大尺寸問題。有限積分算法中使用了理想邊界擬合®(PBA)技術后，與經典的FDTD算法只限于階梯網格近似(Staircase Mesh)相比，CST微波工作室®不僅保持了結構化直角坐標系網格的所有優點，并且可以對曲線結構進行精確建模，實現了精度與速度的雙重保證。CST微波工作室®擁有業內最佳的三維建模界面，可以迅速準確的建立和修改三維幾何模型，其時域求解器可在一次激勵仿真下就完成全頻段參數特性的計算，因此非常適合本問題的建模與仿真。

B. 建模

利用模型的對稱性，建模時只需建立一半結構，即可利用對稱性完成仿真任務。

該模型由12根輻射波導和兩根饋電波導組成。輻射波導之間都有扼流槽，每根輻射波導上都有68個左右的輻射縫隙。天線陣被分成I、II兩個子陣，兩個饋電波導分別位于兩個子陣中。每根饋電波導上都有對應于輻射波導的12個饋電縫隙，金屬膜片與饋電縫隙相對應。

輻射縫隙不僅數量多，而且每一根輻射波導上的縫隙并不相同，無法直接使用對稱性建模。如果單獨建模每一個縫隙，無疑工作量是巨大的。這里采用一種基于CST VBA宏命令的半自動建模方法來簡化這一繁瑣的過程。

最后仿真用模型如圖9所示，I子陣的饋電波導端口設置為端口1，II子陣饋電波導端口設置為端口2。端口1和端口2的幅度比為0.637：1。

C. 仿真結果

使用CST微波工作室的時域求解器，整個裂縫陣天線仿真的總網格數達到142,156,080，精細分辨了裂縫陣和饋電波導金屬膜片等微小結構。圖10、圖11分別給出了中心頻率f0下，天線P面與Q面方向圖。

圖9 波導端口設置

圖10 P面增益方向圖

圖11 Q面增益方向圖

可以看出，天線增益達到了38.4dB，P面副瓣電平：-22.1dB，波束寬度為0.6°;Q面副瓣電平-13.3dB，波束寬度為5.6°。仿真結果和理論設計取得了較好的一致。

4、結論

該天線采用了一種新的相位控制的技術，補償了由于柱面縫隙陣射線路程長度不等所引起的相位差，實現了Q面共形設計，通過CST商業仿真軟件仿真驗證了方案的正確性，為共形陣列天線的設計又提供了一種新的方案選擇。仿真結果表明，天線達到了所需的指標要求，其主要技術指標有：P面半功率波束寬度：0.6°，P面副瓣電平：-22dB，Q面半功率波束寬度：5°～6°，Q面副瓣電平：-12dB左右，增益大于37.7dB，與理論設計非常吻合。