【正文】 面電流不能按原來(lái)的方向流動(dòng)而是發(fā)生彎曲，繞過(guò)縫隙流動(dòng)，如圖 （ a） 所示。 波導(dǎo)開(kāi)縫之前是均勻的，可等效為傳輸線。由于邊緣繞射的干涉，將使方向性圖出現(xiàn)波紋，平板加大，波動(dòng)減小，波紋數(shù)增多，方向性圖向無(wú)限大平板時(shí)的方向 性 圖趨近。 實(shí)際的縫隙天線都是開(kāi)在有限尺寸的良導(dǎo)電金屬板上的。因此鉛垂縫隙是水平極化的，水平縫隙是垂直極化的。方向性函數(shù)都是： ???? s in c o s)c o sc o s (),( klklF ?? （ ） 在包含縫隙軸線的平面內(nèi)方向性圖示“ 8”字形，在垂直于縫隙軸線的平面內(nèi)方向性圖是圓形。電流沿軸線按正弦律分布 的 對(duì)稱(chēng)振子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)為： ????? s in c o s)c o sc o s (2 0 klklreIjE jk rd ?? ? （ ） 式中振子的波腹電流 0I 可以用振子表面的波腹切向磁場(chǎng)表示。場(chǎng)量下角標(biāo)中的 d 和 s 分別表示屬于振子或縫隙。由電磁場(chǎng)邊界條件可知，對(duì)帶狀振子來(lái)說(shuō)，在振子上切向電場(chǎng) tdE 為零，因?yàn)檎褡邮抢硐雽?dǎo)體；在振子以外切向磁場(chǎng) tdH 為零，因?yàn)檎褡拥拇艌?chǎng)均垂直于分界平面。 電磁場(chǎng)方程的對(duì)偶在 節(jié)已作了介紹，下面定性說(shuō)明邊界條件的對(duì)偶。這一電場(chǎng)分布與具有相同尺寸的導(dǎo)體振子（又稱(chēng)互補(bǔ)振子）上的磁場(chǎng)分布（即電流分布）完全一樣。 所謂 理想縫隙天線是指在無(wú)限大的可以不計(jì)厚度的理想導(dǎo)體平板上開(kāi)的縫隙 。 我們 把“電源”引起的場(chǎng)稱(chēng)為 “電 源 場(chǎng)”；而把“磁源”引起的場(chǎng)稱(chēng)為 “磁 源 場(chǎng) ”?？梢园崖菥€管的每一匝線圈 等效成 小 的 電流環(huán)， 螺線管的正方向 即為小電流環(huán)的正方向 ，電流正方向 與螺線管正方向成右手螺旋關(guān)系，這樣，就可以把螺線管看成是等效的磁流元，假 設(shè) 高頻磁流 mI 的方向是沿 z 軸正方向， 則 其輻射場(chǎng)為： ??????????????rjmrjmerlIjEerlIjH?????????s in2s in120 （ ） 比較式 （ ） 和式 （ ） 可以看出，兩式 具有下面的對(duì)偶關(guān)系： 001?? ? me HE ?? ? me EH ?? ?? （ ） 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì) 11 式中帶有下標(biāo)“ e”的場(chǎng)量代表電流元產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；有下標(biāo)“ m”的場(chǎng)量代表磁流元產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量。 比較式 （ ） 和式 （ ） 可以看出，兩式 具有 對(duì)偶關(guān)系： HE ??? 00 ?? ? me pp? （ ） 電流元和磁流元的對(duì)偶性 對(duì)于載有高頻電流的電流元來(lái)說(shuō)，它兩端等量異號(hào)的電荷也隨時(shí)間 變化 而變化 ， 可以看作為 一個(gè)高頻的電偶極子。 小電流環(huán)可以 視為 磁偶極子。 對(duì)偶原理 電偶極子與磁偶極子的對(duì)偶 自由空間中電偶極子的中心位 置 設(shè)為 球坐標(biāo)系的原點(diǎn) O，正、負(fù)電荷之間的 間距 為l ， 坐標(biāo) 分別 為 )2,0,0( l 和 )2,0,0( l? 。也就是說(shuō)，單元因子和陣因子是相互獨(dú)立的、可分離的，分別決定陣列天線輻射特性的一個(gè)方面。對(duì)于面陣或其他形式的陣列天線，這一定理同樣是使用的。 由此可得到此線陣作為一副大天線的方向圖因子為 ?? ?? 1 . c o s0, nN jk zne nF F e ?? ? ? ? ????? （ ） 令 ?? 1 . co s0, nN jkznnSe ??? ????? （ ） 稱(chēng) ?? ,S?? 為陣列因子或陣因子，也稱(chēng)方向圖因子、方向圖函數(shù)、陣列函數(shù)和陣列多項(xiàng)式，它可以看做是由假想的各向同性單元（ ?? ,eF ?? =1）組成的陣列的方向圖函數(shù)。代人遠(yuǎn)場(chǎng)條件： 11nRr? （ ） 1 cosnrzR ??? （ ） 可得到 ??11. . . c o s00 ,4 n njk RNN jk znnenne Fer ?????????? ? ? ? ? ??? （ ） 式中，因子 cosnjkze ? 表示由于各單元的空間位置 nz 不同， 使輻射 電磁波在觀察角 ??,?? 產(chǎn)生的相對(duì)相位。各單元天線都將在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生橫電磁平面波，場(chǎng)強(qiáng)與激勵(lì)電流成正比。由于遠(yuǎn)場(chǎng)坐標(biāo)已經(jīng)用 ??r, ,?? 表示，而不再是 ?? ,xyz ，因而不會(huì)引起混淆。nz上的“ 39。這 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì) 8 時(shí)，每個(gè)單元的位置坐標(biāo)記為 nz 。 設(shè)陣列天線采用相似元，在不考慮單元間互相影響（耦合）的條 件下，可以認(rèn)為單元作為空間坐標(biāo)函數(shù)的歸一化方向圖都是相同的。 方向圖乘積定理 構(gòu)造陣列天線的另一個(gè)重要理論基礎(chǔ)是方向圖乘積定理。( , )4iRxSJ x y ex dsR???? ?? （ ） 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì) 7 同樣道理，電流如果按照其他方式分布，如沿體分布，沿圓環(huán) 分布等，則其輻射場(chǎng)磁矢量位可以相應(yīng)求得，具有和式 （ ） 及式 （ ） 同樣的形式。 39。39。z ()4jk RLJ z ez dzR?? ??? ? （ ） 式中，源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離 R 表示為 39。z (z)zJ ，分布線長(zhǎng)為 L，如圖 所示，則在遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)?? ,P x y z ，式 （ ） 的解可求得為 39。我們知道，天線在空間的輻射是天線上源電流產(chǎn)生的，若空間中存在滿(mǎn)足相干關(guān)系的多個(gè)電流（如一個(gè)電流分出的多個(gè)部分，施加在不同的天線單元上），則多個(gè)電流的輻射電磁場(chǎng)在空間中將發(fā)生疊加，形成干涉 現(xiàn)象，造成某些空間區(qū)域場(chǎng)同相疊加，場(chǎng)加強(qiáng)；某 些空間區(qū)域場(chǎng)反相疊加，場(chǎng)削弱；在另外一些區(qū)域場(chǎng)的疊加介于同相和反相之間，這樣就形成了空間中的電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱分布。 著名的干涉實(shí)驗(yàn)如圖 所示。在此基礎(chǔ)上，他于1801 年在一篇報(bào)告中發(fā)展了惠更斯的光學(xué)理論，提出了著名的“干涉原理”，也稱(chēng) “波的疊加原理”，并在光學(xué)中首次引入了“干涉”的概念。如果一組波的波峰與另一組波的波谷相重合，那么波峰恰好填滿(mǎn)波谷。托馬斯 電磁波的干涉和疊加原理 陣列天線能夠形成不同于一般單元天線的輻射特性，尤其是可以形成指向某部分空間的、比單元天線強(qiáng)得多的輻射，最根本的原因就是來(lái)自多個(gè)相干輻射單元的輻射電磁波在空間相互干涉并疊加，在某些空間區(qū)域加強(qiáng)，而 在另一些空間區(qū)域減弱，從而使得不變的總輻射能量在空間重新分布。 這種組合造就了陣列天線。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì) 5 第 2 章 理論基礎(chǔ) 陣列 天線的基本理論知識(shí) 天線是一種用于發(fā)射和接收電磁能量的設(shè)備。 第 三 章設(shè)計(jì)了一種 寬邊縱向諧振式駐波 波導(dǎo)裂縫天線， 根據(jù)對(duì)方向圖的要求，采用切比雪夫陣設(shè)計(jì)該天線各縫隙的電流分布， 并用較為嚴(yán)格 史蒂文森 （ ） 法推導(dǎo) 波導(dǎo)裂縫的等效電導(dǎo) ， 先利用 HFSS 高頻仿真軟件建立單個(gè)縫隙的模型并進(jìn)行仿真 然后在利用這個(gè)單縫模型設(shè)計(jì) 20 縫的波導(dǎo)縫隙天線陣的模型，設(shè)置 各個(gè) 縫隙的偏移量，并借助 Ansoft 公司的高頻電磁仿真軟件 HFSS 進(jìn)行仿真。正文部分共分 三 章，分述如下： 第一章是緒論，介紹了 雷達(dá)裂縫天線研究的背景、 意義 及現(xiàn)狀， HFSS 的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 、計(jì)算原理和 的簡(jiǎn)要介紹。 HFSS 求解微波問(wèn)題的流程圖如圖 所示。 （ 3） 假設(shè)每次激勵(lì)一個(gè)模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的全部電磁場(chǎng)模型。 軟件的計(jì)算原理 總的來(lái)說(shuō)， HFSS 軟件將所有要求解的微波 問(wèn)題等效計(jì)算 N 端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 S 矩陣，具體步驟如下： （ 1） 將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)絡(luò)。 Ansoft HFSS 在 PC 機(jī)（ Windows 系統(tǒng)）上能夠利用 3GB 的內(nèi)存空間，這極有效地拓展了 HFSS 仿真計(jì)算能力。 HFSS 10 新增了一種功能，即使存在這些情況，也能將其分割成最佳的微小網(wǎng)格后，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。比如，在電磁場(chǎng)分析中需要分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)讀取由 CAD 生成的結(jié)構(gòu)信息模型，提高易用性的功能。這能解決任意的 3D 幾何問(wèn)題，尤其是那些有復(fù)雜曲線和曲面的問(wèn)題，當(dāng)然在局部會(huì)利用其它技術(shù)。 3. Ansoft HFSS 能用于諸如 S 參數(shù)、諧振頻率和場(chǎng)等的參數(shù)計(jì)算。 HFSS 具有以下特點(diǎn) ： 1. 具有仿真、可視化、立體建模、自動(dòng)控制的功能，使得 3D EM 問(wèn)題能快速而準(zhǔn)確地求解。利用 HFSS 工具可以高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)、 電真空器件，可用于研究目標(biāo)特性和系統(tǒng) /部件的電磁兼容 /電磁干擾特性，從而降低 設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。 HFSS 仿真軟件的介紹 HFSS 廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域。 當(dāng) 天線處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，為了保證整個(gè)裂縫振子都處在最佳工作狀態(tài)，饋給每一振子以充分能量，在設(shè)計(jì)中發(fā)射能量除滿(mǎn)足上述狀態(tài)外，還必須有一部分能量到達(dá)終端被匹配負(fù)載所吸收，以此來(lái)保證裂縫天線處在行波狀態(tài)下。為了提高雷達(dá)目標(biāo)觀察的分辨力，對(duì)天線波束要求越來(lái)越窄，也就是天線長(zhǎng)度必須增加，但是當(dāng)天線長(zhǎng)度超過(guò)脈沖寬度所對(duì)應(yīng)的某一范圍時(shí)，天線方向性圖就會(huì)變壞，甚至失效，這樣天線長(zhǎng)度與脈沖寬度之 間就產(chǎn)生了矛盾，這個(gè)矛盾不解決，窄波束的大型雷達(dá)裂縫天線就無(wú)法形成。 Elliot 等的卓越貢獻(xiàn)，使得裂縫天線的理論研究和工程設(shè)計(jì)達(dá)到了較為成熟的階段，他建立的理論 被 當(dāng)今波導(dǎo)裂縫陣列天線設(shè)計(jì) 者公認(rèn)為 主流 設(shè)計(jì)方法 。 具體方法如下 ， 運(yùn)用磁場(chǎng)連接性條件得到了兩個(gè)積分方程 在裂縫的上、下口徑上，將厚度為 t 的裂縫視作一個(gè)腔體，分別建立波導(dǎo)、半自由空間、裂縫墻體的格林函數(shù)，然后用矩量法計(jì)算裂縫口徑上電場(chǎng)眼裂縫長(zhǎng)度方向的數(shù)值。在 70 年代到 90 年代初期的二十多年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大的發(fā)展，計(jì)算機(jī) 大大的提高了 計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量 使很多復(fù)雜的電磁場(chǎng)問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果 更為精確 ，這也使得裂縫天線理論研究和工程技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展 。 1948 年 Stevenson 基于 波導(dǎo)的等效傳輸線理論及波導(dǎo)格林函數(shù)，取縫隙長(zhǎng)度 λ/2（ λ 為工作波長(zhǎng)），導(dǎo)出了各種形式縫隙的歸一化電阻（電導(dǎo)）的計(jì)算公式。國(guó)外在 二十世紀(jì)四十 年代末期就開(kāi)始了波導(dǎo)裂縫天線 的研究， 經(jīng)過(guò)多年的研究，縫隙陣列天線在理論和實(shí)踐上都得到了巨大的發(fā)展。 目前國(guó)際 國(guó)內(nèi) 上也 都 在大力開(kāi)展船舶雷達(dá)的研制工作，但技術(shù)尚未成熟，并考慮到其成本比較高，大角度掃描狀態(tài)下很難實(shí)現(xiàn)低副瓣性能等實(shí)際困難，可以預(yù)見(jiàn)在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，裂縫陣天線仍將是船舶雷達(dá)天