【正文】 穩(wěn)定成熟的特點，其自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使 HFSS成為高頻微波設(shè)計的首選工具盒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 2. Ansoft HFSS 使用有限元法 （ FEM） 、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維 EM 問題時得心應(yīng)手 。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 3 HFSS 與其它軟件的協(xié)同作用 為了便于提高設(shè)計與分析效率， HFSS 強(qiáng)化了與 CAD 工具和其它分析工具之間的配合。另一點就是： HFSS 10 與 Slwave v3 進(jìn)行協(xié)作分析的示例，能夠看到車身內(nèi)部的印刷電路板產(chǎn)生的不必要輻射活動情況。 （ 2） 在每個端 口處計算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 4 論文的主要內(nèi)容 本文重點介紹 用 HFSS 仿真軟件對寬邊諧振式 波導(dǎo)縫隙陣列天線的研究和設(shè)計。 通過單縫和 20 縫的裂縫天線的仿真結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。 其中，電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理是陣列天線得以構(gòu)成的兩個重要原理。楊仔細(xì)觀察了在兩組水波交疊處發(fā)生的現(xiàn)象：“一組波的波峰與另一組波的波峰相重合，將形成一組波峰更高的波。同時，他指出了產(chǎn)生 干涉現(xiàn)象的條件，并首次完成了著名的雙縫干涉試驗和其他一些干涉實驗，總結(jié)出：為了顯示 光的干涉，必須先使從同一光源出來的光分成兩束，經(jīng)由不同的路徑，然后重新疊加在一起，即可觀察到干涉現(xiàn)象。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 6 電流分布 J 在均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生的輻射電磁場可表示為 1 ()E j j? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? 1??? ??? （ ） 式中， ? 稱為磁矢量位，他滿足下列亥姆霍茲方程： 2 2+k J?? ? ? ?? （ ） 若電流密度 J 沿 z 向線分布為 39。R r r?? （ ） 如果電流密度 J 沿 xy 平面分布為 39。 k 39。在電磁波干涉與疊加原理基礎(chǔ)上，它進(jìn)一步描述了連續(xù)電流分布離散化并分別激勵多個天線單元時，總輻射電磁場的構(gòu)成規(guī)律。需注意，這時為了簡化公式形式起見，去掉了原來 39。 圖 任意 N 元線陣 不失一般性，設(shè)每一小段的電流復(fù)矢量為 .?，可以看做是放置在這一個小段中心位置的單元天線的激勵電流。根據(jù)疊加原理，此線陣在觀察點產(chǎn)生的場等于各單元在觀察點產(chǎn)生場的矢量和： ??11. . . c o s00 ,4 n njk RNN jk znnenne Fer ?????????? ? ? ? ? ??? （ ） 考慮到電場復(fù)矢量 .? 的各坐標(biāo)分量是由 .n? 的各坐標(biāo)分量決定的，各 .n? 的矢量和存在哪些坐標(biāo)分量， .? 就會有哪些坐標(biāo)分量，所以為公式簡化起見，可以寫為 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 9 ??11. . . c o s00 ,4 n njk RNN jk znnenne Fer ?????????? ? ? ? ? ??? （ ） 上式可以看做是能適用于各坐標(biāo)分量的一般表達(dá)式。 由于單元陣因子只表示構(gòu)成陣列天線每個單元的輻射特性，僅取決于單元的形式及取向，與陣的組織方式無關(guān)，一次單元因子就是位于坐標(biāo)原點的一個 單元天線的歸一化方向圖函數(shù)， 而陣因子僅取決于陣的形狀、單元間距、單元激勵電流的幅度和相位，與單元的形式和取向無關(guān)，因此陣因子等于與實際陣具有完全相同的參數(shù)的各向同性帶你源陣的方向圖函數(shù)。在電偶極子周圍的 rl 區(qū)域內(nèi)任意一 觀察點),( ??r 處， 等量異號的兩個點電荷 q? 和 q? 激發(fā)的靜電場 可以表示 為： 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 10 )s in?c o s2?(4 30???? ?eerpE re ??? （ ） 式中 qlPe? 是電偶極矩的量值，電偶極矩的方向為 z 軸正 方向。假設(shè)電流元 是 由理想導(dǎo)體構(gòu)成 的 ， 它的 長度 l 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長，表面流過正方向向上的電流量值為 eI ，則其輻射場 表達(dá)式 為： ?????????????rjerjeerlIjHerlIjE?????????s in2s in2 0 （ ） 對于由多匝導(dǎo)線環(huán)繞而成的螺線管，設(shè)其總長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高頻電流的工作波長，則螺線管上的電流可看成是 處處 等幅同相的?！?電 源 場 ”的麥克斯韋方程組的形式如下： ???????????????????????????0eeeeeeeeBDJtDHtBE???????? （ ） “ 磁 源 場 ”的麥克斯韋方程組形式如下： ???????????????????????????0mmmmmmmmDBJtBEtDH???????? （ ） 當(dāng)兩種源同時存在時，根據(jù)矢量疊加原理有 me EEE ??? ?? me HHH ??? ?? me DDD ??? ?? me BBB ??? ?? （ ） 于是 麥克斯維方程組就 可 以變成對稱的形式 ： ????????????????????????????meemBDtDJHtBJE?????????? （ ） 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 12 縫隙 天線 的輻射機(jī)理 理想縫隙天線的 輻射機(jī) 理 無限大和無限薄的理想導(dǎo)電平面上的縫隙稱為理想縫隙。 根據(jù) 電磁場的對偶原理，理想縫隙所輻射的電磁場 與互補(bǔ)振子產(chǎn)生的電磁場具有相同的結(jié)構(gòu)，只是振子的電場矢量對應(yīng)于縫隙的磁場矢量振子的磁場矢量對應(yīng)縫隙的電場矢量，但是這還不夠，為了能 滿足條件， 還要求邊界條件也必須是對偶的。對理想縫隙天線而言，在縫隙上切向磁場 tsH 為零，因為縫上只有橫向均勻分布的切向電場；在縫隙以外切向電場 tsE 為零，因為是理想導(dǎo)體。對寬度為 w ，厚度可忽略的帶狀振子， tdwHI 20 ? ，于是帶狀振子天線的遠(yuǎn)區(qū)場可表示為 ??????????????????????s inc o s)c o sc o s (s inc o s)c o sc o s (klklrewHjHklklrewHjEjkrtddjkrtdd （ ） 將對偶量互換 sd HE ? ， sd EH ?? ， ?? 1? 即得與帶狀振子互補(bǔ)的理想縫隙天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場： 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 13 ???????????????????????s inc o s)c o sc o s (1s inc o s)c o sc o s (klklrewEjHklklrewEjEjk rtssjk rtss （ ） 對比理想縫隙與對 稱振子的場可以看出： 二者方向性相同。二者對偶場矢量的方向在一個半空間相同，在另一個半空間相反，這是因為在縫隙所在平面兩邊縫隙天線電場的法向分量反向的緣故。 波導(dǎo)縫隙的阻抗特性 在波導(dǎo)壁的適當(dāng)位置上開的縫隙也可以有效地輻射和接收無線電波，這種 開在波導(dǎo)上的縫隙稱為波導(dǎo)縫隙天線。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 14 這樣在縫隙的中點兩邊便出現(xiàn)了由橫向表面電流的彎曲引起的附加縱向電流，使得在縫隙中點兩邊的總縱向電流的大小不相等而發(fā)生突變，這與傳 輸線并聯(lián)接入阻抗的情況相當(dāng)，所以寬邊縱向縫隙等效為并聯(lián)導(dǎo)納 jygY ?? 。由式 （ ） 可知，寬邊縱向縫隙偏離中心線越遠(yuǎn)，等效電導(dǎo) g 越大。當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)傳輸 10TE 波時，因切向磁場有橫向和縱向兩個分量，波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流 HnJ ??? ?? 也 存在縱向和橫向兩個分量。寬面縱縫越靠近邊緣，受到的激勵越強(qiáng)。 波導(dǎo)的窄邊只有橫向表面電流，所以開在窄邊的豎縫是沒有輻射的。 波導(dǎo)縫隙陣方向性的分析方法與一般的陣列天線 的分析方法基本一致 。 波導(dǎo)縫隙陣的輻射能量就來自于波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ǎ恍枰硗獾酿伨€，這在饋電方面是一個很大的優(yōu)點。這里所謂的“諧振式”與“非諧振式”區(qū)分的根據(jù)就是縫隙的間距是否為 2g? ，并不說明縫隙本身是否諧振。如圖 所示。 本文所設(shè)計的天線就屬于寬邊縱向駐波縫隙天線。 讓我們更為清楚地了解了天線陣的基本原理。這里設(shè)計了一款寬邊縱向諧振式駐波陣列，由第二章基礎(chǔ)知識可知，每個縫隙相距 ? ， 距離波導(dǎo)寬邊中心有一定偏移。 在具體的設(shè)計中，可以利用 HFSS 的優(yōu)化功能來確定縫隙的諧振長度。為了使分析和波導(dǎo)達(dá)到良好的匹配從而降低天線的駐波比，縫隙單元的電導(dǎo)必須滿足下面的條件（縫隙一端為短路板，另一端為饋電端口）： 10 2121nna???? （ ） 表 各個縫隙的電平分布 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 na 可以得到 K=。利用子工程 1 可以根據(jù)各個縫隙的偏移量優(yōu)化其諧振長度。通過兩個 S11 圖我大膽推測，天線開縫數(shù)目會對天線的性能有一定影響。 總結(jié)全文，本文所作的工作主要有以下三方面： 簡單介紹了裂縫天線對于船舶通信的重要意義以及 Ansoft 公司 研發(fā) 的電磁仿真軟件 HFSS（ high frequency structure simulate） 的特點及其應(yīng)用范圍 。本文 所 提出 的 寬邊縱向諧振式 的 波導(dǎo)縫隙陣列天線 是本文的創(chuàng)新點 ， 這主要是考慮了 縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與 有源器件 和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。他以寬廣的胸襟和高深的學(xué)術(shù)造詣贏得了吾等 深深 的敬佩。 感謝我的朋友在生活和學(xué)習(xí)上對我莫大的關(guān)心和幫助，他們是 于冬淼 、 段文 、 關(guān)森、 俞夢潔 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 27