admin 百科大全 2023-03-14 18:25:22

波导缝隙阵列

写在前面：

波导缝隙阵列的设计牵扯到非常多的公式，基本很少有人去推导，因此尝试从一些基本原理论述的方向来做点仿真和介绍。缝隙天线实际上就是单极子天线的互补，阵列基础单元的原理是相通的，只是在组阵的形式上会有一些考究。和微带阵列一样，合理的激励和相位分布也可以设计出满足需求的方向图。

一些套话

最些年随着对雷达抗干扰要求的提高，脉冲多普勒雷达的发展，矩形波导缝隙阵天线在这些需要窄波束或赋形波束的微波通信和雷达系统中获得了广泛应用。特别是它具有体积小、重量轻、口径效率高、宽角副瓣低以及功率容量大等特点，在机载雷达上为优选形式。波导缝隙阵天线具有口面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定结构简单紧凑、强度高、安装方便等特点，而且容易实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣。（源于以下几点：第一，是金属，没那么脆弱，而且金属的散热性能好，所以可以承受更高的功率，第二，相比于微带阵列，介质损耗是很少的，所以辐射效率高）

波导缝隙阵列及其方向图

9×9波导缝隙阵列

E H Plane

不同阵列间距产生的栅瓣

线性波导阵列通常分为两个基本类别，即谐振式波导和行波波导。在后一种情况下，从馈电发射的波的幅度向负载衰减，其中很少的剩余功率被匹配的负载吸收。行波与辐射缝隙之间的耦合向负载方向增加，使得阵列后半部分的辐射强度与前半部分的辐射强度相当。缝隙间隔开，使得缝隙之间存在渐进的相移，从而产生一定宽度的主瓣波束。此外，天线在相当宽的带宽内匹配良好，并且带宽不会随着阵列长度的增加而降低。

文中以谐振式阵列为例。由于波导通过短路终止，因此在波导内形成驻波，在缝隙的中心具有相同的场最大值。每个槽的辐射相位在中心频率处是相同的，从而产生宽边波束。性能带宽通常比行波设计窄。见下图的电磁和磁场仿真结果。

E_Field

H_Field

波导缝隙阵列较为突出的特征之一是缝隙和波导传输线之间的耦合可以很容易地改变。波导上的缝隙随着其切割位置的不同构成了不同形式的缝隙。经常使用的缝隙有开在波导窄边的倾斜缝隙，开在波导宽边的纵向缝隙、横向缝隙以及开在波导宽边中心线上到倾斜缝隙，它们既可以是谐振式的，也可以是非谐振式的（行波波导）。由于这些缝隙均切割表面电流，因而将向外部空间辐射能量，对这些缝隙的个数、位置、尺寸、排列进行精心选择，就能产生各种实用的天线方向图。使用纵向宽壁缝隙的一个优点是加工方便和拥有较高的极化纯度。

工作机理

波导缝隙天线可以用等效电路模式来分析，其中相邻缝隙中心之间的波导部分是传输线，而缝隙是与传输线分流的有损谐振元件。在缝隙的谐振频率（选择与中心频率相同）下，缝隙导纳几乎是纯实数，可以用电导G表示。由于与波导场的耦合，这个缝隙的电导, 随着缝隙远离波导中心而增加。

将波导末端的短路置于最后一个槽中心之外的 n/4 λg 处（其中 λg 是波导中的波长，n = 1、3、5...），短路表现为与最后一个缝隙并联的开路，因此对中心频率处的天线输入导纳没有影响。因为每个分流元件沿传输线相距 λg/2，所以在第一个缝隙处看到的输入导纳只是所有缝隙电导的总和。此外，该间距确保缝隙激励同相，使天线在宽边辐射。

阵列性能

天线在波导横截面的平面上产生一个扇形波束，就阻抗和方向图特性而言，带宽相当窄。

下面的图是Villeneuve 激励分布的6、20 和 50阵元特性。

阻抗特性

在中心频率下，缝隙电导在馈电端口处简单地相加，从而获得非常好的匹配。然而，短路终端仅在中心频率处的第一个缝隙处转换为开路。这种反射的相位随频率变化的速度取决于波导从第一个缝隙到终端的长度，且相位误差会随着阵列长度的增加而变得越来越严重。单元相位误差越大引起的后果则是方向图的波束偏转。对于较大的阵列，阻抗带宽主要由波导的长度决定。对于小型阵列，带宽可能会受到各个缝隙的带宽的限制。