【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)基站塔上的通信天線、全球定位系統(tǒng)（ GPS）接收天線和大家手機(jī)內(nèi)的天線，等等。天線種類繁多，大小不一，千姿百態(tài)，盡管它們之間的差異很大，但都是基于相同的輻射與接收機(jī)理，都是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的。正因?yàn)槿绱宋也乓却篌w簡(jiǎn)單的介紹下天線。 天線的主要功能首先是能量轉(zhuǎn)換：將發(fā)射機(jī)經(jīng)傳輸線的射頻導(dǎo)波能量變換成無(wú)線電波能量向 空間輻射（發(fā)射天線），或反之（接收天線）。所以天線是導(dǎo)行電磁波與空間電磁波之間的轉(zhuǎn)換器 [3]。 另一主要功能是：能量的發(fā)射與接收具有方向性，即，天線具有對(duì)能量進(jìn)行空間分配的功能。例如，衛(wèi)星地面站天線能將輻射能量集束成一個(gè)很窄的主波束，并將它指向衛(wèi)星，其作用就如同探照燈的聚光作用一樣。 第三個(gè)功能是：輻射或接收指定的極化波，即天線能形成所需的極化。例如，在衛(wèi)星廣播中為實(shí)現(xiàn)頻譜復(fù)用，往往要求衛(wèi)星有雙極化能力。 為能滿足這些天線的功能，對(duì)其提出了一系列具體的要求。表達(dá)這些要求的電指標(biāo)稱為天線的電參數(shù)，如輻射效率、 波束寬度、方向系數(shù)、增益、輸入阻抗、極化和頻帶寬度等，在一些無(wú)線電系統(tǒng)中，天線的電參數(shù)直接決定其整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。隨著人們的需求，導(dǎo)致了形形色色、性能萬(wàn)千的天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)主要研究為波導(dǎo)縫隙陣天線 [4]。 5 波導(dǎo)縫隙陣概述 在導(dǎo)體面上切一開(kāi)口，即縫隙，饋電后形成輻射，稱為縫隙天線，也稱為開(kāi)槽天線。它通過(guò)導(dǎo)體面上和二導(dǎo)體面之間的縫隙向外輻射，其輻射可看成是由縫隙上的等效場(chǎng)源 磁流元形成的。波導(dǎo)縫隙天線陣一般由許多開(kāi)在矩形波導(dǎo)壁上的半波縫隙組成 【 5]。 波導(dǎo)縫隙構(gòu)成的天線陣列主要有兩 種形式，即波導(dǎo)寬邊開(kāi)縫而構(gòu)成的縫隙天線陣和波導(dǎo)窄邊開(kāi)縫而構(gòu)成的縫隙天線陣。前者不但電氣性能優(yōu)良，而且還有厚度小，功率容量大等特點(diǎn)，且縫間互禍較小，沒(méi)有交叉極化分量，在機(jī)載火控雷達(dá)、導(dǎo)彈等方面起到非常重要的作用。 根據(jù)裂縫單元間距和饋電方式的選擇，寬邊縫隙陣又可分為兩種：一種是由行波激勵(lì)的非諧振縫隙陣，一種是由駐波激勵(lì)的諧振縫隙陣。在工作頻段范圍內(nèi)相鄰縫隙之間的距離稍大于或稍小于λ g/2(λ g是波導(dǎo)中的波長(zhǎng) )的稱為非諧振縫隙陣。相鄰的縫隙之間的距離等于λ g/2的稱為諧振縫隙陣。波導(dǎo)的終端決定了陣的形式，非諧振 縫隙陣沿波導(dǎo)傳輸?shù)浇K端負(fù)載，建立起沿波導(dǎo)軸向的行波分布。行波電流通過(guò)縫隙時(shí)將激勵(lì)縫隙，因此縫隙能放在相對(duì)于波導(dǎo)負(fù)載的任何位置上，縫隙間的距離和傳播常數(shù)決定了它們的相對(duì)相位。諧振縫隙陣中的電磁波沿波導(dǎo)傳輸?shù)蕉搪钒逄帲⑵鹧夭▽?dǎo)軸向的駐波分布，并產(chǎn)生駐定的正弦電流幅度分布，其相位沿波導(dǎo)軸向線性變化。處于駐波電流零點(diǎn)的縫隙不會(huì)切斷電流，也就不會(huì)被波導(dǎo)激勵(lì)。因此可以改變縫隙在波導(dǎo)上的位置來(lái)改變對(duì)縫隙的激勵(lì)幅度。需要指出的是，不論是哪種形式的陣列，縫隙都工作在諧振狀態(tài) [6]。 波導(dǎo)裂縫陣天線的組成 波導(dǎo)裂縫陣由若干條輻射陣面、一條交叉放置的耦合波導(dǎo)、一個(gè)為耦合波導(dǎo)饋電的饋電波導(dǎo)共 3個(gè)部分組成。饋電波導(dǎo)將能量耦合到耦合波導(dǎo)之中，耦合波導(dǎo)通過(guò)禍合裂縫將能量按要求耦合到輻射波導(dǎo)，輻射波導(dǎo)中的輻射裂縫再將能量按口徑分布的幅度、相位要求輻射出去。裂縫的設(shè)計(jì)要滿足天線口徑上場(chǎng)的分布，同時(shí)，使每個(gè)子陣的饋電口阻抗匹配 [7]。 輻射陣面 輻射陣面由一系列開(kāi)有寬邊偏置并聯(lián)裂縫的諧振陣波導(dǎo)構(gòu)成，每一個(gè)裂縫切割波導(dǎo)壁上的面電流產(chǎn)生裂縫的電磁場(chǎng)，并向外空間輻射電磁波。根據(jù)要求的天線口徑場(chǎng)分布得到各個(gè)裂縫 的歸一化導(dǎo)納值。通過(guò)控制裂縫的長(zhǎng)度、偏移來(lái)調(diào)整 6 每個(gè)裂縫的歸一化導(dǎo)納值，從而得到所要求的天線性能。輻射波導(dǎo)一般采用諧振陣，即兩相鄰裂縫相距λ g/2，最末一個(gè)裂縫到短路板的間距為λ g/4。各裂縫交替地向波導(dǎo)中心線左右兩邊偏置，使裂縫相位改變?yōu)?180度，以彌補(bǔ)波導(dǎo)內(nèi)駐波在相鄰的縫之間的 180度相移。 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中將會(huì)遇到以下問(wèn)題 : (1)由于輻射陣面波導(dǎo)上最末端的裂縫到短路板的距離為λ g/4，而天線的口徑面尺寸限定致使這一關(guān)系無(wú)法滿足，如果減少陣面裂縫的數(shù)目將會(huì)影響天線的副瓣電平。為此，常在波導(dǎo)末端填 充大介電常數(shù)介質(zhì)以減小波導(dǎo)波長(zhǎng)λ g 從而滿足尺寸要求。 (2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面為保證焊接時(shí)裂縫的位置不發(fā)生偏移，應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢眉由隙ㄎ粯?gòu)件。同時(shí)也要考慮填充介質(zhì)與金屬在焊接時(shí)的固定。 耦合波導(dǎo) 耦合波導(dǎo)是開(kāi)有寬邊傾斜串聯(lián)裂縫的諧振陣波導(dǎo)構(gòu)成。耦合波導(dǎo)裝在輻射陣面的后面，并與輻射陣面正交，耦合波導(dǎo)激勵(lì)各個(gè)傾斜串聯(lián)裂縫，每個(gè)傾斜串聯(lián)裂縫的傾斜角決定了該裂縫的等效阻抗，從而確定每個(gè)輻射波導(dǎo)內(nèi)的功率電平。耦合波導(dǎo)一般采用諧振陣，即兩相鄰裂縫相距λ g / 2 最末一個(gè)裂縫到短路板的間距為λ g/2。各裂縫交 替地向相反的方向傾斜使裂縫相位改變 180 度，以彌補(bǔ)波導(dǎo)內(nèi)駐波在相鄰縫之間的 180 度相移。 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中將會(huì)遇到以下問(wèn)題 : 與輻射波導(dǎo)相類似，波導(dǎo)最末一個(gè)裂縫到短路板之間的距離不可能剛好滿足λ g/2 的關(guān)系，為此需設(shè)法延長(zhǎng)波導(dǎo)的長(zhǎng)度，此時(shí)可采用將波導(dǎo)向上折起的辦法來(lái)增加波導(dǎo)長(zhǎng)度。 饋電波導(dǎo) 饋電波導(dǎo)是耦合波導(dǎo)和饋電網(wǎng)絡(luò)的連接部分，在該部分要充分考慮到阻抗匹配的問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中是在波導(dǎo)中加入銷釘和膜片，以及設(shè)置合理的波導(dǎo)短路塊調(diào)節(jié)裝置來(lái)達(dá)到阻抗匹配的。饋電波導(dǎo)內(nèi)電磁波的相位 關(guān)系與它上面裂縫的傾斜方向有著密切的聯(lián)系，可以利用這一因素設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化天線結(jié)構(gòu)的目的。 總之，波導(dǎo)裂縫陣列天線的各個(gè)部分是一個(gè)有機(jī)的整體，每一部分設(shè)計(jì)的不合理都會(huì)導(dǎo)致整機(jī)性能的下降。而每個(gè)部分都有各自的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。 7 縫隙類型 縫隙類型簡(jiǎn)介 最基本的縫隙天線是由開(kāi)在矩形波導(dǎo)壁上的半波諧振縫隙構(gòu)成的。由電磁場(chǎng)理論，對(duì) TE10 波而言，在波導(dǎo)寬壁上有縱向和橫向兩個(gè)電流分量， 橫向分量 的大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為零， 縱向電流 沿寬邊呈正弦分布，中心處最大；而波導(dǎo)窄壁上只有 橫向電流，且沿窄邊均勻分布 [8]。 圖 3波導(dǎo)縫隙形式及面電流分布情況如果波導(dǎo)壁上所開(kāi)的縫隙能 切割電流線 ，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續(xù)，縫隙因此得到激勵(lì)，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸功率通過(guò)縫隙向外輻射，這樣的縫隙也就被稱為 輻射縫隙 。 當(dāng)縫隙 與電流線平行 時(shí)，不能在縫隙區(qū)內(nèi)建立激勵(lì)電場(chǎng)，這樣的縫隙因得不到激勵(lì)，不具有輻射能力，因而被稱為 非輻射縫隙 。 縫隙 g雖然與縱向電流平行，但是其旁邊 設(shè)置了電抗振子 h，電抗振子是插入波導(dǎo)內(nèi)部的螺釘式金屬桿，由于該螺釘平行于波導(dǎo)內(nèi)部的電場(chǎng)，因此被感應(yīng)出的傳導(dǎo)電流流向螺釘?shù)撞刻幍牟▽?dǎo)內(nèi)壁 而形成徑向電流，于是縱縫 g 可以切斷其中的一部分而得到激勵(lì) [9]。 圖 3波導(dǎo)縫隙形式及面電流分布情況 下圖 4為波導(dǎo)縫隙的等效電路圖 [10] ah gbfedc 8 圖 4波導(dǎo)縫隙陣的等效電路圖 史蒂文森已導(dǎo)出各種形式縫隙的歸一化電導(dǎo)或電阻的計(jì)算公式。其特點(diǎn)是利用互易定理求出縫隙的前向和后向散射場(chǎng)，再利用波導(dǎo)中的功率平衡方程求出其等效電導(dǎo)或電阻。下面簡(jiǎn)單舉例介紹三種波導(dǎo)縫隙的歸一化等效電導(dǎo)或電阻 寬邊縱向半波諧振縫隙（圖 5） 諧振縫隙如果波導(dǎo)縫隙采用了諧振長(zhǎng)度，它們的 輸入電抗或輸入電納為零，即等效串聯(lián)阻抗或并聯(lián)導(dǎo)納中只含有實(shí)部，不含有虛部。 a x 1grx 1a bg?( a ) ( b ) ( c ) 圖 5 寬邊縱向半波諧振縫隙等效電路圖 其歸一化電導(dǎo)為 （ 21） 寬邊波諧振縫隙（ 圖 6） a x 1grx 1a bg?( a ) ( b ) ( c ) 圖 6 寬邊橫向半波諧振縫隙 baa a a bg ＋ jbr ＋ jx r ＋ jx r ＋ jxg ＋ jb g ＋ jb2212 . 0 9 s i n ( ) c o s ( )2ggxg ba?? ? ? ???? 9 其歸一化電阻為 （ 22) 窄邊斜半波諧振縫隙（圖 7） a x 1grx 1a bg?( a ) ( b ) ( c ) 圖 7 窄邊斜半波諧振縫隙 其歸一化電導(dǎo)為 323s i n c o s ( s i n )20 .1 3 1 [ s i n ]1 ( s i n )gggg ab????? ? ? ?? ???? （ 23） 有了相應(yīng)的等效電路，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸特性就可以依賴于 微波網(wǎng)絡(luò)理論 來(lái)分析，例如后向散射系數(shù) |s11|及頻率響應(yīng)曲線，從而更方便地計(jì)算矩形波導(dǎo)縫隙天線 的電特性，例如傳輸效率及匹配情況。 在已獲得匹配的波導(dǎo)上開(kāi)出輻射縫隙，將會(huì) 破壞波導(dǎo)的匹配 情況。為了使帶有縫隙的波導(dǎo)匹配，可以在波導(dǎo)的末端短路，利用短路傳輸線的反射消去諧振縫隙帶來(lái)的反射，使得縫隙波導(dǎo)得到匹配。 典型波導(dǎo)縫隙陣天線介紹 波導(dǎo)縫隙天線陣一般由許多開(kāi)在矩形波導(dǎo)壁上的半波縫隙組成。 下面介紹幾種 常見(jiàn)縫隙陣： 為 開(kāi)在寬壁上的橫向諧振縫隙陣（ 圖 8） 為 保證各縫隙同相 ，相鄰縫隙的間距應(yīng)取為 λ g。由于波導(dǎo)波長(zhǎng) λ g大于自由空間波長(zhǎng)，這種縫隙陣會(huì)出現(xiàn)柵瓣，同時(shí)在有限長(zhǎng)度的波導(dǎo)壁上開(kāi) 出的縫隙數(shù)目受到限制，增益較低，因此實(shí)際中較少采用。 23 2 2 ( ) c o s ( ) c o s ( )4g xr b ab a a? ? ?? ??? 10 圖 8 開(kāi)在寬壁上的橫向諧振縫隙陣 縱向諧振縫隙陣（ 圖 9） 利用了在 寬壁中心線兩側(cè)對(duì)稱位置處橫向電流反相、沿波導(dǎo)每隔 λ g/2場(chǎng)強(qiáng)反相 的特點(diǎn)，縱