【正文】 線管上的電流可看成是 處處 等幅同相的。 對偶原理的建立 我們就可以把電偶極子（電流和電荷）所產(chǎn)生的場，看成是“電源”所引起的；而磁偶極子（磁流和磁荷）所產(chǎn)生的場，看成是“磁源”所引起的。“ 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?????????? （ ） 船舶雷達裂縫天線的設計 12 縫隙 天線 的輻射機理 理想縫隙天線的 輻射機 理 無限大和無限薄的理想導電平面上的縫隙稱為理想縫隙。理想縫隙受到激勵時，由于縫很窄，縫隙上只存在與寬邊垂直的切向電場， 其振幅在縫隙的兩端下降為零。 根據(jù) 電磁場的對偶原理，理想縫隙所輻射的電磁場 與互補振子產(chǎn)生的電磁場具有相同的結構，只是振子的電場矢量對應于縫隙的磁場矢量振子的磁場矢量對應縫隙的電場矢量，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。無限大的導電平板將整個空間分成兩個半無限大空間，當考慮半空間的場分布時，其閉合邊界由縫隙或振子所在的無限大平面和無限大半球面組成，由于在無限大半球面上電磁場必為零，只需比較無限大平面上的邊界條件即可。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，因為是理想導體。由于理想縫隙和帶狀振子的電磁場方程和邊界條件存在對偶關系，所以將對偶量互換，即可以由已知的帶狀振子天線電磁場 dE? ， dH? 得出理想縫隙天線的電磁場 sE? ， sH? 。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的理想縫隙天線的遠區(qū)輻射場： 船舶雷達裂縫天線的設計 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。 二者主平面互換了位置，包含縫隙軸線的平面是 H 面，而垂直于縫隙軸線的平面是 E 面。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。有限尺寸平板對 H 面方向性圖影響不大，但對 E 面方向圖存在明顯影響。 波導縫隙的阻抗特性 在波導壁的適當位置上開的縫隙也可以有效地輻射和接收無線電波，這種 開在波導上的縫隙稱為波導縫隙天線。波導上開的縫隙可等效為負載，開縫的波導便等效為加載傳輸線，根據(jù)開縫的 位置和方向，縫隙或等效為串聯(lián)的負載或等效為并聯(lián)的負載 。 船舶雷達裂縫天線的設計 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，所以寬邊縱向縫隙等效為并聯(lián)導納 jygY ?? 。在縫的長度適當（略短于 2? ）時發(fā)生諧振，電納等于零而變成純電導。由式 （ ） 可知，寬邊縱向縫隙偏離中心線越遠，等效電導 g 越大。波導上的縫隙是不需 要另外的饋線的，它輻射的能量就來自波導內的電磁波，在波導內傳輸 10TE 波時，窄壁豎縫和寬邊中軸線上的縱縫均不能受到激勵而向空間輻射，根據(jù)收發(fā)天線的互易原理，它們也就不能從遠處傳來的無線電波中接收能量。當波導內傳輸 10TE 波時，因切向磁場有橫向和縱向兩個分量，波導內壁表面電流 HnJ ??? ?? 也 存在縱向和橫向兩個分量。 表面電流在波導壁上的大小是隨位置而變的。寬面縱縫越靠近邊緣，受到的激勵越強。 寬面還有縱向表面電流，它在寬面中心線處最大，往邊緣逐漸減小到零。 波導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。 船舶雷達裂縫天線的設計 15 波導縫隙天線陣 及其特點 單個縫隙的方向性比較弱，要求強方向性時可采用波導縫隙天線陣。 波導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 。波導縫隙陣的方向性函數(shù)仍為元方向性函數(shù)與陣函數(shù)的乘積，即 ),(),(),( ?????? ae FFF ?? （ ） 陣函數(shù)仍為： ????? 10)c o s(),( Nn nd nkjna eAF ???? （ ） 式中 nA 為縫隙激勵電壓的幅度比， 10?A ， ? 為觀察點所在方向與縫隙陣軸線（也就是波導縱軸）的夾角。 波導縫隙陣的輻射能量就來自于波導中傳輸?shù)碾姶挪?，不需要另外的饋線，這在饋電方面是一個很大的優(yōu)點。 波導縫隙陣以各縫隙間距是否等于 2g? 為根據(jù)而分兩類。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。 諧振式波導縫隙陣由于縫隙間距為 2g? ，所以相鄰縫隙的激勵會產(chǎn)生 ?180 ，為使各縫獲得同相激勵，應當采取措施使相鄰縫隙再獲得 ?180 的附加相移。如圖 所示。當工作頻率改變時，間距不再等于 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。 本文所設計的天線就屬于寬邊縱向駐波縫隙天線。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。 讓我們更為清楚地了解了天線陣的基本原理。 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。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。 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 。 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。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。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=。工作頻率為 10GHz，工作波長 λ=30mm，波導波長 mm? ? 。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。 縫隙的完整模型如圖 所示。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。 船舶雷達裂縫天線的設計 24 結 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)。 總結全文，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 。 ，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 。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試，從而大大降低成本。 從仿真結果來看，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)。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 傅世強 老師對我的 指導 。 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