介绍了 HFSS漏波长槽波导天线口径场诊断中的应用,通过合理的子网格设置仿真得到辐射长槽上精确的口径场,采用提取的口径场分布反演得到天线远场方向图,与仿真的方向图相比,非常吻合,证明了这种诊断方法正确有效。根据口径场诊断结果,对天线结构进行调整优化,达到了明显的优化效果,天线副瓣明显降低,负载吸收率与理论设计非常吻合。

 

1. 引言

漏波长槽波导天线是在波导宽边开有偏离波导宽边中心线的赋形长槽,是一种典型的漏波天线形式,具有效率高、宽带、高功率容量、方向图控制灵活等显著优点,可以应用于宇航、引信等领域。然而,与谐振式缝隙阵天线相比,漏波长槽波导天线的研究成果偏少。一个主要原因是,漏波长槽波导天线的设计难度更大,其基本设计理论非常经典,但设计结果与理论预期往往存在较大偏差,设计效果明显不及谐振式缝隙阵天线,导致了对漏波长槽天线的研究偏少且难获得大的突破。

 

随着电磁仿真计算技术的发展进步,特别是借助强大的商用电磁仿真软件如 HFSS,为我们分析设计天线提供了更多的途径和思路,对于以前难于解决的一些天线设计难题逐渐变得可能。本文正是基于采用 HFSS 强大的仿真分析能力、跳出传统设计方法的局限,提出了对漏波长槽口径场诊断和优化。介绍了采用 HFSS 对漏波长槽波导天线口径场诊断的方法,通过合理的子网格设置仿真得到辐射长槽上精确的口径场。根据口径场诊断结果,对天线结构进行调整优化,达到了明显的优化效果,天线副瓣明显降低,负载吸收率与理论设计非常吻合。

 

2. 漏波长槽波导天线的原理

漏波长槽波导天线的结构如图 1 所示,在波导宽边开有偏离波导宽边中心线的赋形长槽,波导内传输的电磁波从长槽泄漏。通常,漏波天线应使单位长度的泄漏率比较低,以避免对波的传输相速产生大的扰动和天线失配。

 

 图 1 漏波长槽天线结构图


漏波天线的特性用复传播常数来表征,当很小时,可不计对主波束指向的影响,则波束指向的计算表达式如下:


                  (1)

是主波束偏离波导法线的角度,是自由空间波长,是波导截止波长,是波导波长。
漏波天线的孔径幅度分布 A(z)的控制是通过改变沿漏波结构泄漏量即来实现的,由文献可知,给定 A(z)可以计算出理论,计算关系式见式(2):


              (2)

 

式中,L 为口径长度,c 为负载吸收率。

 

由式(2)可知,一旦给定口径分布 A(z)、口径长度 L 和终端负载吸收功率,就可以计算得到沿口径各处所需要的理论衰减常数,同时的大小又由天线结构尺寸决定,主要是由槽偏离波导宽边中心的偏移量决定,因此由理论可设计出具体天线结构尺寸。衰减常数与槽的偏置量 x 的理论关系式[6] 如下:


           

  (3)


式中,w 是槽宽、a 是波导宽边尺寸、b 是波导窄边尺寸、k 是自由空间相位传播常数、Kc 截止波数、beta 是波导内相位传播常数。

 

3. 分析与设计

首先,按照上节给出的基本理论设计出辐射长槽的初始形状曲线,在 HFSS 中通过多节折线段来逼近该曲线,然后通过 sweep 操作得到缝隙宽度一定的辐射长槽,得到的 HFSS 模型如图 2 所示。口径场诊断方法应用的前提条件是仿真计算得到准确的口径场数据,这主要取决于网格剖分设置,在这里的模型中,辐射长槽包含有最细小的结构尺寸,因此,需要对辐射长槽的网格加密,对辐射长槽设置局部网格剖分方法,局部网格剖分结果如图 3 所示,可见网格已足够小能够准确表征辐射长槽的结构。

 

图 2 漏波长槽天线仿真模型

 

图 3 辐射槽的局部网格  

 

图 4 口径场分布提取结果


通过仿真提取出的口径场分布如图 4 所示,从图中可知,口径场仿真值与理论差别大。经深入分析和参考相关文献可知:首先,口径场分布不对称,前低后高,这主要是由长槽偏移量设计误差造成的;其次,口径场分布总体上是在理论分布基础上叠加了一个周期震荡分布,这种现象是由于长槽上产生的高次模干涉引起的,这也与文献上的结论相吻合。为了进一步验证口径场诊断的正确性,由口径场反演计算出天线远场方向图如图 5 所示,并与仿真得到的远场方向图如图 6 所示进行对比,对比可知,两者非常吻合,尤其是主波束和近场副瓣区间的方向图几乎重合,只是在远区栅瓣处栅瓣电平大小有差别,但栅瓣位置是一致的,其原因主要是由口径场反演的方向图没有考虑到实际结构边界条件的影响。

 

根据口径场诊断结果,我们提出了通过修正口径场分布的方法来优化设计漏波长槽波导天线,在本文中首先通过优化设计解决口径场分布不对称问题,高次模问题将在后续研究中分析。优化设计后仿真得到的修正口径场分布如图 7 所示,从图可见,口径场分布的对称性明显改善。优化设计的仿真方向图如图 8 所示,方向图性能也明显提高,主瓣内不再分裂出台瓣。图 9~10 分别是宽频带内优化设计的驻波比仿真值、负载吸收率仿真值,负载吸收率的仿真值 -13.4dB 与理论值非常吻合。可见,优化设计达到了较好的效果,验证了口径场诊断和优化的有效性。

 

 图 5 口径场反演的方向图  

 


图 6 仿真得到的方向图

 

      图 7 优化设计的口径场分布

 


 图 8 优化设计的仿真方向图


    图 9 优化设计的仿真驻波比  

 

 

   图 10 优化设计的负载吸收率仿真值


4. 结论

漏波长槽波导天线的精确设计和优化设计是个难题,本文提出了基于 HFSS 的漏波长槽波导天线口径场诊断的方法,通过对仿真模型合理设置,准确提取到辐射长槽上的口径场,根据口径场对天线进行分析和优化。将口径场分布反演得到天线远场方向图与仿真的方向图相比,非常吻合,证明了这种诊断方法正确有效。然后给出优化设计结果,取得了明显的优化效果,天线副瓣明显降低,负载吸收率与理论设计非常吻合,验证了优化设计的有效性。但实际的口径场分布由很多因素决定,包括高次模、长槽偏置设计误差、设计理论的应用条件偏差等,因此实际的优化方法比较复杂,优化难度较大,还有很多优化空间和工作有待研究,将在后续继续研究并解决。

 

参考文献

1 L.O.Goldstone, A.A.Oliner, Leaky-wave antennas I: Rectangular waveguides, IRE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-7, pp.307-319, Oct. 1959.

2 L.O.Goldstone, A.A.Oliner, Leaky-wave antennas II: Circular waveguides, IRE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-9, pp.280-290, May. 1961.

3 F.L.Whetten, C.A.Balanis, Leaky-wave long waveguide slot antennas: aperture fields, far field radiation, and mutual coupling, Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. -3 , pp.1486-1489, June. 1989.

4 F.L.Whetten, C.A.Balanis, Meandering long slot leaky-wave waveguide-antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-39 , pp. 1553-1560, Nov. 1991.

5 J.Joubert, J.A.G.Malherbe, Moment method calculation of the propagation constant for leaky-wave modes in slotted rectangular waveguide, IEE Proc. Microw. Antennas Propag., vol. -146, pp. 411-415, Dec. 1999.

6 Shanwei, L., Zhang Y., Juan L., Jiangling Z., Design of continuous long slot leaky-wave antenna for millimeter wave application, J. Syst. Eng. Electr., 2007, 18 (4):721–725.

7 赵伟,李晓,亓东 . 非大气窗口毫米波长槽漏波波导天线的设计[J]. 微波学报, 2010, 26(2):43-46.