【導讀】要求，采用修正的切比雪夫陣設計該天線各縫隙的電流分布。波導裂縫天線陣的特點，給出相關的計算公式。進行了優(yōu)化及仿真，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果基本符合。

　　

【正文】 2g? ，不能保持各縫隙同相激勵，引起主瓣方向改變，并且天線的匹配也將急劇變差。所以這類縫隙陣是窄頻帶的。 本文所設計的天線就屬于寬邊縱向駐波縫隙天線。 圖 波導寬邊縫隙陣的布置 本章從波導天線陣入手，著重介紹了駐波天線陣的兩個最重要的原理， 電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理。并且利用對偶原理分別從 電偶極子與磁偶極子的對偶電流元和磁流元的對偶性 來 對偶原理的建立 加以說明。最后通過對比介紹理想縫隙天線和波導縫隙天線的輻射機理，具體介紹了縫隙天線的開縫機理和輻射原理，以及其方向性 的分析方法。 讓我們更為清楚地了解了天線陣的基本原理。為后續(xù)章節(jié)裂縫天線的設計作了鋪墊。 船舶雷達裂縫天線的設計 17 第 3 章裂縫陣列天線的設計 具體設計方案 波導縫隙陣列天線的總體設計思路 本次設計選取了矩形 寬邊開縱縫波導縫隙天線陣進行研究，模型的建立是通過專業(yè)高頻仿真軟件 HFSS 設計和建立的。 在建模過程中，根據(jù)波導縫隙天線理論，在一個隨機的矩形波導的 一個寬邊 開出 20 條縫 ，縫隙關于寬邊中心對稱，兩條縫隙之間有一定的位移，使之成為天線陣列，因為是端饋式天線陣，所以一端空出用于設置激勵，另一端堵住用于實現(xiàn)短路 對于寬邊縱向諧 振式駐波陣列， 總體 設計步驟如下： 波導縫隙陣具有口面效率高、副瓣電平低等優(yōu)良的性能。這里設計了一款寬邊縱向諧振式駐波陣列，由第二章基礎知識可知，每個縫隙相距 ? ， 距離波導寬邊中心有一定偏移。推導波導裂縫的等效電導以史蒂文森 （ ） 法較為嚴格 。 Stevenson在波導縫隙的電參數(shù)計算有如下假定： （ 1） 縫隙寬度較窄，即長度 /寬度》 1，且縫隙長度為 2? （ ? 為工作波長） ； （ 2） 縫隙上的電場分布近似于半個正弦函數(shù) ； （ 3） 在波導中僅傳輸 10?? 模 ； （ 4） 波導壁厚近似于 零 ，波導為良導體 。 Stevenson 給出了寬邊上縱向并聯(lián)縫隙的電導為 )(sin 21 axgg ?? （ ） )2(2c gg bag ?????? （ ） 其中， x 為待求的偏移量， a 為波導內(nèi)壁寬邊長度， λ 為波導波長。 在具體的設計中，可以利用 HFSS 的優(yōu)化功能來確定縫隙的諧振長度。首先確定在諧振縫隙設計中存在的幾個變量 ，主要有縫隙偏移波導中心線的距離 Offset，縫隙的長度 L，縫隙的寬度 W等。一般可根據(jù)實際的加工確定出縫隙的寬度 W，應用 HFSS 的優(yōu)化功能得出縫隙的偏移量 Offset 和縫隙長度 Legth。如圖 所示，在波端口的 Y 矩陣參數(shù)可以等效于距檢測端口 1∕ 2 個波導波長的縫隙中 心的 Y 矩陣參數(shù)，根據(jù)波導縫隙的基本設計理論，在諧振時縫隙的等效阻抗或?qū)Ъ{為實數(shù)，因此縫隙諧振時有 Im(Y)=0 設計一個由 20 個縫隙組成的縫隙陣，采用 Chebyshev 電流分布，前 10 個縫隙的電 船舶雷達裂縫天線的設計 18 平分布由表 給出。為了使分析和波導達到良好的匹配從而降低天線的駐波比，縫隙單元的電導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=。由下式可得各個縫隙的導納值： 2nng Ka? （ ） 各個縫隙的導納如下： 13579 10955 153 3867 693 9465ggggg????? 246810 0846 265 536 833 100598ggggg????? （ ） 選用 WR— 型波導，其波導尺寸為：寬邊 a=，窄邊 b=。工作頻率為 10GHz，工作波長 λ=30mm，波導波長 mm? ? 。 根據(jù)波導各個尺寸可得偏移量和導納之間的關系為 船舶雷達裂縫天線的設計 19 ? ?a r c sin 1 .0 6 6 naxg?? （ ） 由上述導納值可以求得各個縫隙的偏移量： 135790. 81 360. 96 231. 53 682. 06 982. 43 14x mmx mmx mmx mmx mm????? 246810x mmx mmx mmx mmx mm????? （ ） 單個縫隙的波導 縫隙 陣列天線的設計與仿真 整個設計過程可以分為兩個子工程：子工程 1 在給定縫隙的偏移量 以后，首先建立單個縫隙天線模型，然后設置邊界條件，和激勵端口以及工程變量，最后進行縫隙長度優(yōu)化 ，可以利用該工程對各個縫隙進行優(yōu)化 ，單個縫隙天線模型如圖 所示 ； 圖 單個諧振長度的優(yōu)化模型 下面分別給出了用 HFSS 仿真軟件制作的單個縫隙波導的 S11 圖， 3D 模型仿真圖以及 2D 模型仿真圖 ： 船舶雷達裂縫天線的設計 20 圖 單縫波導天線的 S11 圖 單縫波導的 2D 遠場方向 圖 船舶雷達裂縫天線的設計 21 圖 單個縫隙波導的 3D 遠場方向 圖 20 縫波導縫隙陣列 天線的設計與仿真 子工程 2 建立含有所有縫隙的完整模型。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。 并且將各個縫隙的偏移量按照公式（ ）所示設置好，然后先設置輻射邊界，再設置理想磁壁。 縫隙的完整模型如圖 所示。 圖 縫隙陣的完整模型 船舶雷達裂縫天線的設計 22 圖 20 縫波導天線的 S11 圖 圖 20 縫波導縫隙天線的 2D 遠場方向 圖 船舶雷達裂縫天線的設計 23 圖 20 縫波導縫隙天線的 3D 遠場方向 圖 仿真結(jié)果與分析 通過對矩形波導上開單縫和開多縫的仿真結(jié)果可以看出，在波導上開單縫，其 S11仿真圖上的最佳匹配點 為 GHZ 略小于中心頻率 10 GHZ， 而在波導上開多縫進行仿真時，其 S11 圖的最佳匹配點正好為 10GHZ，達到了理論要求 。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。通過對單縫和多縫的 2D、 3D 遠場方向圖分析我們可以的出結(jié)論，縫隙天線的具有很好的方向性， 幾乎滿足一個全向天線的要求，并且天線的主要輻射方向為天線的開縫方向。 船舶雷達裂縫天線的設計 24 結(jié) 論 隨著現(xiàn)代雷達技術的發(fā)展，雷達 發(fā)射脈沖寬度變得越來越窄，這就要求雷達天線波束也要隨之變窄，這給大型雷達天線的設計提出了挑戰(zhàn)。 本文提出 了 一種 寬邊縱向諧振式 的 雷達 波導裂縫天線形式，給出了詳細的設計過程，并進行了仿真 ，結(jié)果表明，這種天線能 夠達到預期的效果 。 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） 的特點及其應用范圍 。 介紹了 磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理這兩個陣列天線得以 構(gòu)成的重要原理。 ，在此基礎上， 通過電偶極子和磁偶極子的對偶性，電流源和磁流源的對偶性建立了對偶原理 ，加深了對 對偶原理 的認識 ， 分析并比較了半波帶狀振子和半波縫隙振子 ， 并且分別介紹了理想裂縫天線和波導裂縫天線的輻射機理以及開縫形式， 阻抗 特性等相關知識 。 設計了一種 寬邊縱向諧振式 的波導裂縫天線，通過仿真，驗證了該設計方案的可行性。本文 所 提出 的 寬邊縱向諧振式 的 波導縫隙陣列天線 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)，能簡化整機的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。 因此成為了一種重要的天線形式。 從仿真結(jié)果來看，該方案具有可行性，但同時也存在不足，如 縫隙的數(shù)目對天線性能的影響，以及縫隙偏移量的對天線性能的影響都有待研究 ，這一點對于 寬邊縱向諧振式 的波導裂縫天線來說，具有很高的研究價值，也是一大挑戰(zhàn)。 綜上所述，論文下一步的工作主要有兩方面： 研究開縫的數(shù)目對天線性能的影 響 研究縫隙偏移量對天線性能的影響 船舶雷達裂縫天線的設計 25 參 考 文 獻 [1] 房 少軍 ,邰有誠 ,欒秀珍 ,金紅 .電磁場與電磁波 .大連： 大連海事大學出版社， 2020. [2] 謝擁軍 ,王鵬 ,李磊 ,周建華 ,雷振亞 .Ansoft HFSS 基礎及應用 .西安： 西安電子科技大學出版社， 2020. [3] 欒秀珍 ,房少軍 ,金紅 ,邰有誠 .微波技術 .北京：北京郵電大學出版社， 2020. [4]薛正輝 ,李偉明 ,任武 .陣列天線分析與綜合 .北京：北京航空航天大學出版， 2020. [5] 曹善勇 .磁場分析與應用實例 .北京： 中國水利水電出版社， 2020. [6] 李偉明 ,任武 .陣列天線的分析與應用 .北京： 北京航空航天大學出版， 2020. [7] 施錦文 .波導裂縫天線的分析與設計 .西北工業(yè)大學 碩士學位論文 ， 2020. [8] 譚 曉 明 .基于時域有限差分法的縫隙天線分析與設計 . 大連海事大學碩士學位論文，2020. [9] 楊帆 .基于 WiFi波段的波導縫隙天線研究 . 大連海事大學 學士學位論文， 2020. [10] 齊美清 ， 汪 偉 ， 金謀平 .波導縫隙諧振陣帶寬與縫隙特性關系研究 . 微波學報 . 2020 年 8 月 .第 23 卷增刊 . 船舶雷達裂縫天線的設計 26 致 謝 感謝 我的導師房少軍教授！ 大學四年來 ，在 學習上和生活上 ，他給了我許多關心和照顧。他以寬廣的胸襟和高深的學術造詣贏得了吾等 深深 的敬佩。 感謝金紅老師對我的 激勵 。 感謝 傅世強 老師對我的 指導 。 感謝王強碩士對我的幫助。 感謝我的朋友在生活和學習上對我莫大的關心和幫助，他們是 于冬淼 、 段文 、 關森、 俞夢潔 船舶雷達裂縫天線的設計 27