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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 波导缝隙阵列天线的设计研究 姓名：宋兆宁 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：郑会利 201201 一Y 2 0 帆6 帆嬲 摘要 波导缝隙阵列天线具有结构紧凑、重量轻、功率容量大、口径效率高等优点， 同时由于其口径面分布易于控制，很容易实现窄波束、低副瓣甚至超t L 蝠J J 瓣，因 此在导弹、机载火控雷达、卫星通信等方面有着其它类型天线的无法取代的优势。 本文主要从以下几个方面对波导缝隙行波天线进行了研究： 首先，介绍波导缝隙阵的基本理论，对非谐振式缝隙阵进行了详细讨论，应用 行波近似和等效电路法对波导缝隙天线进行了分析。 其次，在理论研究
2、的基础上，设计了两种非谐振式波导缝隙天线：1 作为一维 扫描相控阵天线的相控阵单元，要求波导窄边缝隙天线在方位面具有窄波束、低 副瓣特性。2 波导宽边缝隙天线在方位面实现了低副瓣窄波束，并通过角反射器 来调整俯仰面的方向图。通过优化，两种天线均获得了良好的性能。 然后，对两种波导缝隙天线进行了误差分析。在加工误差范围内，天线的副瓣 电平和驻波等指标有所变差，但是仍然能够很好的满足指标要求，说明所设计的 天线具有很好的稳定性。 最后，分析了天线罩对天线性能的影响。 关键字：波导缝隙阵非谐振式相控阵角反射器天线罩 波导缝隙阵列天线的设计研究 A b s t r a c t W a v e g u
3、l d eS 上o ta r r a ya n t e n n ah a st h eo b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p a c ts t r u c n 鹏， J l g h tw e i g h t ，p o w e rc a p a c i t ya n dh i g he f f i c i e n c y A tt h es 锄et i m e ，b e c a u s eo ft h e d l s t n b u t i o no nt h ea p e r t u r eo ft h ew a v e g
4、u i d e s l o ta r r a ya n t e n n ac a l lb ec o n 仃o l l e de a S i l v l tc a l lr e a L l l z et h en a r r o w b e a m ，l o ws i d el o b ea n du l t r a - l o ws i d el o b ee a s i l y S oi th a st h e a d V 觚t a g et h a tt h eo t h e ra n t e n n a sC a nn o tb er e p l a c e di nm i s s i
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6、si n t r o d u c e d ，a n dt h en o n r e s o n a n ta l T a y i sd i s c u s s e di n d e t a i l T h e nw ea n a l y z et h e w a v e g u i d es l o ta r r a ya n t e n n a sw i t ht I l em e t h o d so f t r a v e l i n g w a v ea p p r o x i m a t i o na n d e q u i v a l e n tc i r c u i t s S
7、e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r y , t w ok i n d so f n o n - r e s o n a n tw a v e g u i d es l o t a 哪锄t e n n a sh a v eb e e nd e s i g n e d A st h ee l e m e n to f o n e - d i m e n s i o n a ls c 猢i n gp h a S e d 锄y 趾t e I H l a ，t h ef i r s tk i n da n t e n n ai st h e
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10、f d e s i g n i n gt h et w o w a v e g u i d es l o ta n t e n n a si sa n a l y z e d W i t h i n m ee n w r a n g ei nt h ep r o c e s s i n g ，t h ea n t e n n as i d el o b ea n dV S W R b e c o m ew o r S e H o w e V e r ，i tc a ns t i l lm e e tt h ei n d i c a t o rw e l l ，w h i c hs h o w
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12、e c t o r r a d o m e 波导缝隙阵列天线的设计研究 第一章绪论 1 1 波导缝隙天线的研究背景 随着电子化程度的迅速提高，以争夺电磁频谱使用和控制权的电子战已经成为 现代战争的重要组成部分。由于电子对抗中的电磁干扰信号很强，战场环境对雷 达性能的要求也越来越高，因此雷达系统必须具有很强的抗干扰能力。而雷达天 线作为电磁波收发系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响雷达的生存能力 和抗干扰能力，因此要求雷达天线具有高增益，窄波束或赋形波束，并且应具有 低副瓣或极低副瓣的性能，以降低被敌方雷达截获的概率，从而在电子对抗中获 胜。 如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条
13、或数条窄缝，可使电磁 波通过缝隙向外空间辐射，从而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线I l 】。常用的 缝隙天线分为微带缝隙天线和波导缝隙天线两种形式。微带缝隙天线由于其易共 形、加工方便、成本低等优点得到广泛研究，但其损耗大，功率容量低，效率不 高。而波导缝隙阵列天线具有结构紧凑、重量轻、体积小、功率容量大、口径效 率高且容易实现低副瓣窄波束等特点，因而在气象、导航、机载、舰载和弹载雷 达等领域得到广泛应用。 波导缝隙阵列天线是指在波导宽边或窄边上开有缝隙，并切断波导内壁上电流 的天线【2 】。在缝隙处，表面电流的一部分绕过缝隙，另一部分以位移电流的形式沿 原方向流过缝隙，位移电流的电力线将
14、向外空间辐射，这就是波导缝隙天线工作 的基本原理。常用的波导缝隙阵列天线单元有波导宽边偏置纵缝、倾斜缝和波导 窄边倾斜缝等。这种天线馈电方式也很灵活，可以直接使用波导接口，也可用电 缆接口。选择适当的缝隙阵形式，既可以从天线的前端馈电，也可以从后端馈电， 给结构设计带来了极大的方便。 随着计算机技术的发展和天线加工工艺的提高，波导缝隙天线的理论研究和工 程设计工作得到了较快的发展，现在一些国家在波导缝隙天线的设计方法和生产 工艺方面都达到了相对成熟的阶段，各种电磁仿真软件的出现也为波导缝隙天线 的设计和应用创造了有利条件。波导缝隙天线的理论设计方法很多，但是实际的 大型波导缝隙阵列天线设计存在
15、很大的困难，关键就在于雷达系统中的波导缝隙 阵列天线单元很多，单元间的耦合现象严重，因此与理论分析结果有很大误差。 本文所应用的设计方法是在近似考虑各单元耦合的基础上，对两种形式的波导行 波缝隙天线进行设计仿真，并对仿真结果进行优化，优化结果很好的满足了天线 指标要求。 1 2 国内外研究现状 低副瓣波导缝隙天线设计中存在的技术问题多年来一直是微波天线领域中研 究的热点。国外在上世纪4 0 年代末期就开始了对波导缝隙天线的研究，经过国内 外学者几十年的不断研究，在波导缝隙特性研究和阵列设计方面均取得丰硕的成 果。 W a t s o n 首先对波导缝隙天线的设计进行了研究【3 】，在总结前人经
16、验的基础上做 了大量实验和分析工作。1 9 4 8 年，S t e v e n s o n t 4 1 在W a t s o n 研究的基础上对辐射缝隙进 行了理论分析，通过大量的研究工作建立了矩形波导内部的格林函数，并利用波导 的等效传输线理论及格林函数推导出了各种形式缝隙的归一化等效谐振电导的理 论计算公式。S t e g e n t 5 J 对波导宽边纵向缝隙进行了大量相关实验，并对实验数据进 行拟合，得到了波导宽边缝隙的归一化导纳拟合公式，从而建立了对理论分析计 算进行评判的标准。随后，O l i n e r l 6 J 在考虑波导壁厚的前提下，采用变分法对缝隙 特性导纳进行了分析。T V uK h a c 7 1 、H u n gY u e tY e e l 8 1 、J o s e f s s o n t 9 】等采用矩量法对 波导宽边的纵向辐射缝隙进行了分析。1 9 8 4 年，D a s 1 0 】发表了一篇理论分析波导窄 边缝隙的经典文献，他应用0 1 i n e r 建立的
