宽频带高效率平板缝隙天线的研究

　　前　言

　　平板天线主要包括微带天线、径向线缝隙天线和波导缝隙阵等天线形式。由于导体损耗和介质损耗的影响,当天线增益大于30dB时,微带天线的效率只能做到20~40%[1]。径向线缝隙天线和常见的在波导窄壁或宽壁上开槽的波导缝隙阵天线具有效率高、剖面低、性能稳定等优点,但频带窄是其主要缺点。径向线缝隙天线的带宽小于5%[1]。波导缝隙天线包括驻波阵和行波阵,驻波阵的带宽小于5·5%[2, 3],行波阵的输入驻波比带宽小于10%[4]。为了降低输入驻波比,缝隙间距不再是半个波导内波长,导致行波阵的最大辐射方向偏离阵面法线方向,且随着频率的变化相对于阵面法线偏移不同的角度,因此行波阵的方向图带宽要远小于10%。

　　为满足对高增益、宽频带、高效率和低剖面平板天线的需求,研制了一种在一端短路的多模波导短路面上开缝阵的天线形式。采用该种开缝形式,既克服了常见波导缝隙阵和径向线缝隙天线频带窄的缺点,又克服了高增益微带天线效率低的缺点。在采用该种开缝形式组成高增益阵列天线时,既避免了直接采用多模喇叭为辐射单元组阵时单元间距大于工作波长出现栅瓣的缺点,又为低剖面、低损耗波导型馈电网络的设计提供了方便。通过阵列表面去耦栅的合理设计,减小了E面缝隙间的互耦影响,提高了天线的电性能。结合宽频带、低剖面、不等功分波导馈电网络的合理设计,成功完成了16×16缝隙天线阵的研制。天线的实测指标为:在20%的频带内VSWR<2,方向图副瓣SLL<-15dB,增益≥30dB,效率≥70%。

　　1　多模波导缝隙阵的设计[5]

　　图1所示为一端短路的矩形波导段。L1段的波导截面尺寸为a×b,在工作频带内,该段波导内只传输主模TE10模。L2段的波导截面尺寸为A×B,在工作频带内,该段波导可传输一个或多个工作模式,称其为多模波导。由波导内电磁场的激励过程可知,多模波导中只能存在和模,即m为奇数、n为偶数的TEmn模或TMmn。在图1所示的坐标系下,由一端短路波导内的场分布和理想导体表面上的边界条件可知,多模波导短路面内表面上只存在Hx分量,其函数式为：

式中,K是和工作频率、激励幅度、波导模式及波导截面尺寸有关的常量。多模波导短路面内表面上的表面电流密度矢量为

　　由短路面上的电流分布可知,采用图2所示的紧靠侧壁的开缝形式辐射效率最高,且能保证四个缝隙的激励为等幅同相。

　　由图2所示各个缝隙相对于多模波导侧壁的位置可知,多模波导的截面尺寸由缝隙参数和缝隙间距确定。即

式中,d为相邻缝隙间的间距,为避免辐射方向图出现栅瓣,d必须小于λmin,λmin为工作频段内高频对应的自由空间波长。lslot和wslot是缝隙长度和缝隙宽度,其大小约为λmax的二分之一和十分之一,λmax为工作频段内低频对应的自由空间波长。