矩形开口波导天线特性的数值模拟

　　矩形开口波导天线(以下简称开口波导)是高功率微波辐射场测量中普遍使用的接收天线,具有增益小、方向图主瓣宽、加工容易、使用方便等优点。国内很多单位都使用开口波导进行辐射场测量,但是少见对波导的结构参数(波导长度、波导壁厚度、波导法兰)对增益的影响的研究,所利用的一般也是参考国外文献中给出的数据。因此国内各单位制作的开口波导长度和尺寸各不相同,导致有效面积数值相差较大。为了更精确地测量辐射场功率,有必要考虑开口波导结构参数对开口波导辐射场的影响。已有研究表明,开口波导增益随着频率的变化是单调上升的[1-9],但是在数值模拟和实验测量中发现增益随着频率的变化有很明显的振荡现象。如果增益对频率的变化很敏感,就会造成测量的辐射场每一点功率密度有很大差别,不利于高功率微波辐射场的测量。本文分析了增益随频率出现振荡现象的原因,并通过采用在波导宽边上下表面对称的贴覆吸波材料的办法消除了上述现象。重点研究了开口波导法兰和长度对增益的影响。关于波导壁的厚度,由于有国家标准,可以认为很小的加工误差,不会引起增益的很大变化,所以不把波导壁的厚度参数作为研究的重点。

　　1　矩形开口波导天线增益随波导结构参数变化数值模拟

　　利用数值模拟软件模拟了X波段长直开口波导BJ100,工作频率9.37 GHz,波导壁厚1.27 mm,模型中不加法兰,这和文献[1-3]中情况一致。开口波导增益方向图如图1所示。从图1可以看到:方向图主瓣较宽,中心为增益极大值。这和文献[1]的结论一致。

　　图2为X波段长直开口波导天线增益随频率的变化曲线。由图2可见:增益随频率的变化单调上升。这也和文献[1]给出的结论一致。因此在不考虑法兰时,开口波导增益随频率变化是单调上升的。

　　考虑法兰的影响,把法兰加入模型,如图3所示,微波从port1馈入,从另一端口辐射出去。为了准确研究开口波导增益随波导长度L的变化规律,每隔2 mm(λ/16,λ为微波自由空间波长)取点进行数值模拟。波导长度从3λ增加到5λ时,矩形开口波导增益随波导长度变化曲线如图4所示。从图4可以看到:增益随着波导长度的变化呈周期性变化。周期大约为16 mm(图中1点(102 mm,4.17 dB) (104 mm/32=3.25λ), 2点(110mm,8.96 dB) (112 mm/32=3.5λ), 3点(118 mm,4.32 dB) (120 mm/32=3.75λ), 4点(126 mm,9.05 dB)(128 mm/32=4λ))。可以看到增益是从4 dB左右到8 dB左右振荡的。在X波段频率9.37 GHz时,对应的自由空间波长约为32 mm,所以增益的振荡周期近似为λ/2。