芯耀
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介紹了 HFSS 在漏波長槽波導天線口徑場診斷中的應用，通過合理的子網(wǎng)格設置仿真得到輻射長槽上精確的口徑場，采用提取的口徑場分布反演得到天線遠場方向圖，與仿真的方向圖相比，非常吻合，證明了這種診斷方法正確有效。根據(jù)口徑場診斷結果，對天線結構進行調(diào)整優(yōu)化，達到了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合。
1. 引言
漏波長槽波導天線是在波導寬邊開有偏離波導寬邊中心線的賦形長槽，是一種典型的漏波天線形式，具有效率高、寬帶、高功率容量、方向圖控制靈活等顯著優(yōu)點，可以應用于宇航、引信等領域。然而，與諧振式縫隙陣天線相比，漏波長槽波導天線的研究成果偏少。一個主要原因是，漏波長槽波導天線的設計難度更大，其基本設計理論非常經(jīng)典，但設計結果與理論預期往往存在較大偏差，設計效果明顯不及諧振式縫隙陣天線，導致了對漏波長槽天線的研究偏少且難獲得大的突破。
隨著電磁仿真計算技術的發(fā)展進步，特別是借助強大的商用電磁仿真軟件如 HFSS，為我們分析設計天線提供了更多的途徑和思路，對于以前難于解決的一些天線設計難題逐漸變得可能。本文正是基于采用 HFSS 強大的仿真分析能力、跳出傳統(tǒng)設計方法的局限，提出了對漏波長槽口徑場診斷和優(yōu)化。介紹了采用 HFSS 對漏波長槽波導天線口徑場診斷的方法，通過合理的子網(wǎng)格設置仿真得到輻射長槽上精確的口徑場。根據(jù)口徑場診斷結果，對天線結構進行調(diào)整優(yōu)化，達到了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合。
2. 漏波長槽波導天線的原理
漏波長槽波導天線的結構如圖 1 所示，在波導寬邊開有偏離波導寬邊中心線的賦形長槽，波導內(nèi)傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481275.html">電磁波從長槽泄漏。通常，漏波天線應使單位長度的泄漏率比較低，以避免對波的傳輸相速產(chǎn)生大的擾動和天線失配。
?圖 1 漏波長槽天線結構圖
漏波天線的特性用復傳播常數(shù)來表征，當很小時，可不計對主波束指向的影響，則波束指向的計算表達式如下：
? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
是主波束偏離波導法線的角度，是自由空間波長，是波導截止波長，是波導波長。
漏波天線的孔徑幅度分布 A(z)的控制是通過改變沿漏波結構泄漏量即來實現(xiàn)的，由文獻可知，給定 A(z)可以計算出理論，計算關系式見式(2)：
? ? ? ? ? ? ? (2)
式中，L 為口徑長度，c 為負載吸收率。
由式(2)可知，一旦給定口徑分布 A(z)、口徑長度 L 和終端負載吸收功率，就可以計算得到沿口徑各處所需要的理論衰減常數(shù)，同時的大小又由天線結構尺寸決定，主要是由槽偏離波導寬邊中心的偏移量決定，因此由理論可設計出具體天線結構尺寸。衰減常數(shù)與槽的偏置量 x 的理論關系式[6] 如下：
? ? ? ? ? ?
? (3)
式中，w 是槽寬、a 是波導寬邊尺寸、b 是波導窄邊尺寸、k 是自由空間相位傳播常數(shù)、Kc 截止波數(shù)、beta 是波導內(nèi)相位傳播常數(shù)。
3. 分析與設計
首先，按照上節(jié)給出的基本理論設計出輻射長槽的初始形狀曲線，在 HFSS 中通過多節(jié)折線段來逼近該曲線，然后通過 sweep 操作得到縫隙寬度一定的輻射長槽，得到的 HFSS 模型如圖 2 所示?？趶綀鲈\斷方法應用的前提條件是仿真計算得到準確的口徑場數(shù)據(jù)，這主要取決于網(wǎng)格剖分設置，在這里的模型中，輻射長槽包含有最細小的結構尺寸，因此，需要對輻射長槽的網(wǎng)格加密，對輻射長槽設置局部網(wǎng)格剖分方法，局部網(wǎng)格剖分結果如圖 3 所示，可見網(wǎng)格已足夠小能夠準確表征輻射長槽的結構。
圖 2 漏波長槽天線仿真模型
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圖 3 輻射槽的局部網(wǎng)格 ?
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圖 4 口徑場分布提取結果
通過仿真提取出的口徑場分布如圖 4 所示，從圖中可知，口徑場仿真值與理論差別大。經(jīng)深入分析和參考相關文獻可知：首先，口徑場分布不對稱，前低后高，這主要是由長槽偏移量設計誤差造成的；其次，口徑場分布總體上是在理論分布基礎上疊加了一個周期震蕩分布，這種現(xiàn)象是由于長槽上產(chǎn)生的高次模干涉引起的，這也與文獻上的結論相吻合。為了進一步驗證口徑場診斷的正確性，由口徑場反演計算出天線遠場方向圖如圖 5 所示，并與仿真得到的遠場方向圖如圖 6 所示進行對比，對比可知，兩者非常吻合，尤其是主波束和近場副瓣區(qū)間的方向圖幾乎重合，只是在遠區(qū)柵瓣處柵瓣電平大小有差別，但柵瓣位置是一致的，其原因主要是由口徑場反演的方向圖沒有考慮到實際結構邊界條件的影響。
根據(jù)口徑場診斷結果，我們提出了通過修正口徑場分布的方法來優(yōu)化設計漏波長槽波導天線，在本文中首先通過優(yōu)化設計解決口徑場分布不對稱問題，高次模問題將在后續(xù)研究中分析。優(yōu)化設計后仿真得到的修正口徑場分布如圖 7 所示，從圖可見，口徑場分布的對稱性明顯改善。優(yōu)化設計的仿真方向圖如圖 8 所示，方向圖性能也明顯提高，主瓣內(nèi)不再分裂出臺瓣。圖 9~10 分別是寬頻帶內(nèi)優(yōu)化設計的駐波比仿真值、負載吸收率仿真值，負載吸收率的仿真值 -13.4dB 與理論值非常吻合?？梢姡瑑?yōu)化設計達到了較好的效果，驗證了口徑場診斷和優(yōu)化的有效性。
?圖 5 口徑場反演的方向圖 ?
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圖 6 仿真得到的方向圖
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? ? ? 圖 7 優(yōu)化設計的口徑場分布
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?圖 8 優(yōu)化設計的仿真方向圖
? ? 圖 9 優(yōu)化設計的仿真駐波比 ?
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? ?圖 10 優(yōu)化設計的負載吸收率仿真值
4. 結論
漏波長槽波導天線的精確設計和優(yōu)化設計是個難題，本文提出了基于 HFSS 的漏波長槽波導天線口徑場診斷的方法，通過對仿真模型合理設置，準確提取到輻射長槽上的口徑場，根據(jù)口徑場對天線進行分析和優(yōu)化。將口徑場分布反演得到天線遠場方向圖與仿真的方向圖相比，非常吻合，證明了這種診斷方法正確有效。然后給出優(yōu)化設計結果，取得了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負載吸收率與理論設計非常吻合，驗證了優(yōu)化設計的有效性。但實際的口徑場分布由很多因素決定，包括高次模、長槽偏置設計誤差、設計理論的應用條件偏差等，因此實際的優(yōu)化方法比較復雜，優(yōu)化難度較大，還有很多優(yōu)化空間和工作有待研究，將在后續(xù)繼續(xù)研究并解決。
參考文獻
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