【正文】 ..................................................................................................................... 24 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................ 25 致 謝 ...................................................................................................................... 26 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 1 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 第 1 章 緒論 課題研究的背景及意 義 隨著中國綜合國力和國際地位的日益提升，海洋領(lǐng)土逐步受到國人的重視，中國對發(fā)展藍(lán)海海軍的建設(shè)目標(biāo)已經(jīng)提上日程，船舶雷達(dá)天線的研究受到了前所未有的重視，同時也對天線系統(tǒng)提出了更高的要求。 因此成為了一種重 要的天線形式。 到二十世紀(jì)七、八十年代，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁場數(shù)值計算成為可能，也使得縫隙天線的分析和設(shè)計上了一個新臺階 。 船舶裂縫 天線 的研究現(xiàn)狀 波導(dǎo)裂縫天線設(shè)計中存在的技術(shù)問題多年來一直是微波天線領(lǐng)域中研究的熱點。 Waston 首先 對波導(dǎo)裂縫和波導(dǎo)裂縫天線開展了 研究和設(shè)計的嘗試工作。隨后 Oliner 利用變分公式， 并且 考慮了波導(dǎo)壁厚的影響，計算 出 了縫隙的阻抗（導(dǎo)納）特性。 Khac、 HungYuet、Josefsson 等 對波導(dǎo)寬邊總想輻射裂縫 采用矩量法進(jìn)行分析。在忽略波導(dǎo)內(nèi)縫隙間互耦和波導(dǎo)壁厚影響的 前提 下 ， 采用等效磁流片的方法導(dǎo)出 解析表達(dá)式， 但次表達(dá)式考慮了輻射裂縫間外互耦以及告辭模的影響 ， 并將輻射裂縫的設(shè)計理論歸結(jié)為三個方程。 船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計 2 脈沖寬度與天線長度 雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度 ? 限制著裂縫天線長度的增加。 天線效率 雷達(dá)裂縫天線收發(fā)狀態(tài)共用一根天線，采用收發(fā)開關(guān)控制發(fā)射和接收狀態(tài)。這樣，就存在一個輻射能量與耗損在吸收負(fù)載上的無用能量的關(guān)系，一般二米、三米裂縫天線的效率 η在 （ 80～ 90）％ ，也就是說，在發(fā)射狀態(tài)下要損耗能量的 （ 20～ 10） ％ ，天線工作在接收狀態(tài)，同樣也有 （ 20～10）％ 的接受能量被吸收負(fù)載所損耗，這對天線來說自然是一種能量的損失。它具備仿真精度高，可靠性強，仿真速度快，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)。 的特點和應(yīng)用領(lǐng)域 HFSS 是利用我們所熟悉的 Windows 圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場（ EM） 段任意 3D 無源器件的模擬仿真軟件。 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 。 4. HFSS 是基于四面體網(wǎng) 格元的交互式仿真系統(tǒng)。 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 強化了與 CAD 工具和其它分析工具之間的配合。此外 CAD 模型有時會出現(xiàn)微小的斷差和坐標(biāo)誤差。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。同時，具備與 Ansoft Designer、 Nexxim 動態(tài)連接的特性：通過動態(tài)參數(shù)化鏈接，在 RF/數(shù)?；旌想娐贩抡嬷袑崿F(xiàn)與三維電磁場的協(xié)同仿真。 （ 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。 （ 4） 由得到的反射量和傳輸量計算廣義 S 矩陣。 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。 第二章 首先從陣列天線的兩個最基本原理： 電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理 出發(fā)，使我們 對陣列天線有了更加清楚的認(rèn)識，然后從 對偶原理出發(fā)， 分析并比較了半波帶狀振子和 半波縫隙振子，在此基礎(chǔ)上 分析了波導(dǎo)上單個縫隙的輻射機理和形式，并分析了由多個縫隙構(gòu)成的波導(dǎo)裂縫天線陣的特點，給出相關(guān)的計算公式。 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。在許多場合，由單個天線（或稱為單個輻射器）就可以 很好地完成發(fā)射和接收電磁能量的任務(wù)，如常用的各種線天線、面天線、反射面天線等，其本身就可以獨立工作，但這些天線形式一旦選定，其輻射特性便是相對固定，如波瓣指向、波束寬度、增益等，這就造成在某些特殊應(yīng)用場合，如雷達(dá)天 線的一般要求較強的方向性、較高的增益、很窄的波束寬度、波束可以實現(xiàn)電掃描及其他一些特殊指標(biāo)，單個天線往往不能道道預(yù)定的要求，這時就需要多個天線聯(lián)合起來工作，共同實現(xiàn)一個預(yù)定的指標(biāo)。 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。 波的干涉與疊加原理最初來源于光學(xué)領(lǐng)域。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?！甭暡ǖ寞B加也是如此，聲波的疊加會產(chǎn)生聲音的加強和減弱、復(fù)合的聲調(diào)和拍頻。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。 由于光本身的波動性，光波與電磁波本質(zhì)上是相似的，因此可以把這一最初在光學(xué)領(lǐng)域提出的基本原理推廣到電磁波領(lǐng)域。 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。 39。R r r?? （ ） 如果電流密度 J 沿 xy 平面分布為 39。( , )zxJ x y ,分布平面面積為 S，如圖 所示，則在遠(yuǎn)場觀察點 ?? ,xyz ，有 39。 k 39。觀察式 （ ）和式 （ ） 可見，線電流和面電流形成的輻射場具有積分的表達(dá)形式，實際上是無窮多個部分求和疊加的結(jié)果，這就是干涉與疊加原理在電磁波輻射問題上的體現(xiàn)。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。 不妨首先以線陣為例，設(shè)在圖 中每一小段ndl的中心位置都放置了一個單元天線，這些單元天線為相似元，它們的方向圖函數(shù)均為 e( , )F?? （稱為單元因子，表示單元個體的輻射特性），重新繪于圖 。需注意，這時為了簡化公式形式起見，去掉了原來 39。 ”符號。 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。依據(jù)積分求和的公式，轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)系，則第 n 個單元 在遠(yuǎn)場觀察點 ?? ,Pr??產(chǎn)生的電場為 ??11. . . c o s00 ,4 n njk RNN jk znnenne Fer ?????????? ? ? ? ? ??? （ ） 式中， A 為單元形式有關(guān)的比例系數(shù)。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。 這樣，有 ?? ?? ??, , ,eF F S? ? ? ? ? ?? （ ） 若單元因子和陣因子均采用歸一化形式，則上式又可寫為 ?? ?? ??, , ,ef f s? ? ? ? ? ?? （ ） 可見陣列天線的方向圖因子等于單元因子與陣因子的乘積，這一定理即是方向圖乘積定理。 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)。 有了這一個定理之后，研究陣列天線的輻射特性一般僅需研究由陣的組織方式?jīng)Q定的陣列子即可，待單元形式選定后，再把單元因子乘以陣因子，即可得到陣列天線的輻射特性。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。設(shè)自由空間中半徑為 a 的小電流環(huán)上的電流為 I， 環(huán)面正方向向上沿 z 軸正方向，電流 I 的正方向與 z 成右手螺旋關(guān)系，則在磁偶極子周圍rl 區(qū)域內(nèi)任何觀察點 ),( ??r 處，磁感應(yīng)強度矢量為： )s in?cos2?(4 30???? ?eerpH rm ??? （ ） 式中 Iapm 20??? 是磁偶極矩的量值，磁偶極矩的方向為 z 軸 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