簡 玲，石 磊，陳曉鵬

（中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

波導縫隙天線具有口徑面場分布容易控制、天線口徑效率高、性能穩(wěn)定、結構簡單緊湊、強度高、安裝方便等優(yōu)點，被廣泛應用于雷達和通訊領域［1］。早期的波導裂縫天線設計主要通過加工、測試大量的試驗小面陣，從測試數(shù)據(jù)中提取縫隙的導納參數(shù)，再以此設計縫隙天線，耗費較多的時間，成本也較高［2］。電磁仿真軟件的出現(xiàn)，可利用仿真軟件獲得波導縫隙天線的散射參數(shù)，再用理論公式計算出縫隙的有源導納［3］，極大提高了天線設計的效率。但是，由于波導縫隙的邊緣縫隙和中間縫隙的互耦不同，電磁仿真軟件提取的導納參數(shù)并不十分準確。本文采用電磁仿真軟件和傳統(tǒng)理論結合的方法，在設計過程中利用仿真軟件計算出近場的幅度相位分布，并由此對縫隙參數(shù)進行修正優(yōu)化，提高了設計精度。在結構設計上，采用端饋的同軸波導變換器和內(nèi)置吸收負載，易于安裝，質量輕。加工過程中每道工序均采用定制裝夾，保證了加工精度。天線通過其背部定位塊上的螺紋孔與背架緊固連接，天線正面無固定塊遮擋。

1 天線設計

1.1 理論計算

天線面陣要求方位面波束寬度為1.1°，副瓣小于-30 dB，縫隙間距取 0.46λg，縫隙數(shù)量為 110 個，采用副瓣電平為-35 dB、等副瓣個數(shù)為8的泰勒分布?？p隙幅度分布如圖1所示。

圖1 縫隙幅度分布

假定線陣的末端吸收功率是已知的，則根據(jù)線源的幅度分布和天線效率可以計算出不同縫隙對應的電導分布?？p隙電導與線源幅度分布的關系為［4］

其中，Ei是第i個縫隙激勵幅度，η為天線效率。計算出波導縫隙的電導分布如圖2所示。

圖2 縫隙電導分布

1.2 縫隙電導的提取

電導的提取是在電磁仿真軟件中完成的。在仿真軟件中建立5根裂縫波導組成的陣列［5］，該陣列的間距與設計陣列間距相等，縫隙傾角為固定值，獲得該切割角度條件下的縫隙諧振長度和增量電導。電導值可由公式（2）計算得出。

提取的電導值為包含互耦的多個縫隙的平均電導值。改變縫隙的傾角，重復此步驟，計算出不同傾角對應的電導值并記錄其對應的傾角切割深度。電導與切割角度的關系如圖3所示。傾角與切割深度的關系如圖4所示。

圖3 電導與切割角度的關系

圖4 切割角度與切割深度的關系

1.3 建模仿真及優(yōu)化

根據(jù)1.1中的縫隙電導分布和1.2中的電導與切割角度的關系、切割角度與切割深度的關系，可以確定波導縫隙每個縫隙的傾角和切割深度，從而確定完整的模型尺寸。在仿真軟件中建立完整的5根線源的縫隙陣列模型并對其進行仿真，并根據(jù)仿真結果對縫隙的單元的切割角度和切割深度進行調(diào)整優(yōu)化。在仿真模型中提取出每個縫隙的近場幅度、相位分布，與綜合理論的幅度進行比較，找到差異較大的縫隙。對差異較大縫隙的偏置和縫長進行修改，使每個縫隙的近場幅度與理論幅度分布基本一致，即可得到比較理想的方向圖。縫隙單元的切割角度和切割深度最終的結果如圖5、圖6所示。

波導縫隙天線在實際加工時不可避免地存在加工誤差。假定傾角的加工誤差為±0.1°，縫隙切割深度的誤差為±0.03 mm，隨機產(chǎn)生一組傾角誤差和深度誤差，疊加到理論的縫隙的傾角和切割深度上，并將該組有誤差的尺寸進行建模仿真，其仿真結果對比如圖7所示。從圖中可以看出，加入隨機誤差后，方位面的第1副瓣有所抬高，但仍能滿足指標。

圖5 縫隙單元的最終傾角分布

圖6 縫隙單元的最終切割深度分布

圖7 有無隨機誤差的仿真方向圖對比

2 同軸波導變換器和吸收負載設計

波導的一般激勵方法有探針激勵、環(huán)激勵、孔縫激勵、波導間的過渡激勵等。前兩種都是利用同軸線內(nèi)導體分別插入波導上的電場和磁場最強處來激勵?？卓p激勵用于相鄰波導之間的激勵。波導間的激勵一般是用矩-圓變換來實現(xiàn)波導間的模式轉換。

本文的裂縫天線后端需接T／R組件，因此采用的是探針激勵?？紤]到天線的間距較小，饋電探針加載在波導端面，其仿真模型如圖8所示，仿真結果如圖9所示。

圖8 同軸波導變換器的仿真模型

圖9 同軸波導變換器的仿真駐波

吸收負載采用了定制的羰基鐵塊，從波導管端部塞入波導管內(nèi)，由負載的定位臺階確定塞入深度，膠接固定，示意圖如圖10所示。羰基鐵塊負載的長度小于40 mm，且無需法蘭面與波導線源固定，與傳統(tǒng)的帶法蘭面負載相比，尺寸和質量都要小得多。

圖10 負載安裝示意圖

3 裂縫線源的加工和安裝

X波段的天線組成面陣，單元之間的間距較小。本文中的裂縫線源之間的中心間距為16 mm，波導與波導之間的空隙不到4 mm，無法采用定位卡塊對波導線源進行正面固定。因此，在線源背部焊接固定塊，固定塊中加工螺紋孔，從而將線源用螺釘固定到背架上，固定塊同時起到了固定和定位的作用，如圖11所示。

圖11 波導線源的固定塊實物圖

波導壁比較薄，加工過程中的焊接、切削會引起變形。因此，在加工過程中每道工序均采用定制的工裝裝夾，成品的直線度達到了2 mm／2.1 m。

4 實測結果

根據(jù)1.3節(jié)的最終優(yōu)化尺寸加工了8根波導裂縫天線的試驗面陣，實物如圖12所示。對組裝好的天線陣駐波與方向圖特性進行測試，在8%的頻帶范圍內(nèi)駐波小于1.2，如圖13所示，方位面副瓣小于-32 dB，方向圖的實測結果如圖14所示，驗證了設計方法的可行性。

圖12 裂縫天線實物圖

圖13 實測駐波曲線

圖14 高中低頻點的實測方向圖

5 結束語

本文設計的X波段低副瓣波導縫隙陣列采用端饋的同軸波導變換器和內(nèi)置的吸收負載，減小了面陣的尺寸和質量，通過軟件仿真提取互耦狀態(tài)下不同傾角的諧振長度和電導。根據(jù)幅度分布確定縫隙傾角和縫深，建立仿真模型并加入誤差分析，縮短了研制周期。線源采用背部焊塊螺釘固定，加工過程中每道工序均采用定制裝夾，保證了加工精度。試驗陣測試結果和仿真結果吻合較好，滿足指標要求，已應用于某項目的雷達整機。