芯耀
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介紹了 HFSS 在漏波長槽波導(dǎo)天線口徑場診斷中的應(yīng)用，通過合理的子網(wǎng)格設(shè)置仿真得到輻射長槽上精確的口徑場，采用提取的口徑場分布反演得到天線遠(yuǎn)場方向圖，與仿真的方向圖相比，非常吻合，證明了這種診斷方法正確有效。根據(jù)口徑場診斷結(jié)果，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合。
1. 引言
漏波長槽波導(dǎo)天線是在波導(dǎo)寬邊開有偏離波導(dǎo)寬邊中心線的賦形長槽，是一種典型的漏波天線形式，具有效率高、寬帶、高功率容量、方向圖控制靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于宇航、引信等領(lǐng)域。然而，與諧振式縫隙陣天線相比，漏波長槽波導(dǎo)天線的研究成果偏少。一個(gè)主要原因是，漏波長槽波導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)難度更大，其基本設(shè)計(jì)理論非常經(jīng)典，但設(shè)計(jì)結(jié)果與理論預(yù)期往往存在較大偏差，設(shè)計(jì)效果明顯不及諧振式縫隙陣天線，導(dǎo)致了對(duì)漏波長槽天線的研究偏少且難獲得大的突破。
隨著電磁仿真計(jì)算技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，特別是借助強(qiáng)大的商用電磁仿真軟件如 HFSS，為我們分析設(shè)計(jì)天線提供了更多的途徑和思路，對(duì)于以前難于解決的一些天線設(shè)計(jì)難題逐漸變得可能。本文正是基于采用 HFSS 強(qiáng)大的仿真分析能力、跳出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限，提出了對(duì)漏波長槽口徑場診斷和優(yōu)化。介紹了采用 HFSS 對(duì)漏波長槽波導(dǎo)天線口徑場診斷的方法，通過合理的子網(wǎng)格設(shè)置仿真得到輻射長槽上精確的口徑場。根據(jù)口徑場診斷結(jié)果，對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合。
2. 漏波長槽波導(dǎo)天線的原理
漏波長槽波導(dǎo)天線的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，在波導(dǎo)寬邊開有偏離波導(dǎo)寬邊中心線的賦形長槽，波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481275.html">電磁波從長槽泄漏。通常，漏波天線應(yīng)使單位長度的泄漏率比較低，以避免對(duì)波的傳輸相速產(chǎn)生大的擾動(dòng)和天線失配。
?圖 1 漏波長槽天線結(jié)構(gòu)圖
漏波天線的特性用復(fù)傳播常數(shù)來表征，當(dāng)很小時(shí)，可不計(jì)對(duì)主波束指向的影響，則波束指向的計(jì)算表達(dá)式如下：
? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
是主波束偏離波導(dǎo)法線的角度，是自由空間波長，是波導(dǎo)截止波長，是波導(dǎo)波長。
漏波天線的孔徑幅度分布 A(z)的控制是通過改變沿漏波結(jié)構(gòu)泄漏量即來實(shí)現(xiàn)的，由文獻(xiàn)可知，給定 A(z)可以計(jì)算出理論，計(jì)算關(guān)系式見式(2)：
? ? ? ? ? ? ? (2)
式中，L 為口徑長度，c 為負(fù)載吸收率。
由式(2)可知，一旦給定口徑分布 A(z)、口徑長度 L 和終端負(fù)載吸收功率，就可以計(jì)算得到沿口徑各處所需要的理論衰減常數(shù)，同時(shí)的大小又由天線結(jié)構(gòu)尺寸決定，主要是由槽偏離波導(dǎo)寬邊中心的偏移量決定，因此由理論可設(shè)計(jì)出具體天線結(jié)構(gòu)尺寸。衰減常數(shù)與槽的偏置量 x 的理論關(guān)系式[6] 如下：
? ? ? ? ? ?
? (3)
式中，w 是槽寬、a 是波導(dǎo)寬邊尺寸、b 是波導(dǎo)窄邊尺寸、k 是自由空間相位傳播常數(shù)、Kc 截止波數(shù)、beta 是波導(dǎo)內(nèi)相位傳播常數(shù)。
3. 分析與設(shè)計(jì)
首先，按照上節(jié)給出的基本理論設(shè)計(jì)出輻射長槽的初始形狀曲線，在 HFSS 中通過多節(jié)折線段來逼近該曲線，然后通過 sweep 操作得到縫隙寬度一定的輻射長槽，得到的 HFSS 模型如圖 2 所示。口徑場診斷方法應(yīng)用的前提條件是仿真計(jì)算得到準(zhǔn)確的口徑場數(shù)據(jù)，這主要取決于網(wǎng)格剖分設(shè)置，在這里的模型中，輻射長槽包含有最細(xì)小的結(jié)構(gòu)尺寸，因此，需要對(duì)輻射長槽的網(wǎng)格加密，對(duì)輻射長槽設(shè)置局部網(wǎng)格剖分方法，局部網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖 3 所示，可見網(wǎng)格已足夠小能夠準(zhǔn)確表征輻射長槽的結(jié)構(gòu)。
圖 2 漏波長槽天線仿真模型
?
圖 3 輻射槽的局部網(wǎng)格 ?
?
圖 4 口徑場分布提取結(jié)果
通過仿真提取出的口徑場分布如圖 4 所示，從圖中可知，口徑場仿真值與理論差別大。經(jīng)深入分析和參考相關(guān)文獻(xiàn)可知：首先，口徑場分布不對(duì)稱，前低后高，這主要是由長槽偏移量設(shè)計(jì)誤差造成的；其次，口徑場分布總體上是在理論分布基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)周期震蕩分布，這種現(xiàn)象是由于長槽上產(chǎn)生的高次模干涉引起的，這也與文獻(xiàn)上的結(jié)論相吻合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證口徑場診斷的正確性，由口徑場反演計(jì)算出天線遠(yuǎn)場方向圖如圖 5 所示，并與仿真得到的遠(yuǎn)場方向圖如圖 6 所示進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比可知，兩者非常吻合，尤其是主波束和近場副瓣區(qū)間的方向圖幾乎重合，只是在遠(yuǎn)區(qū)柵瓣處柵瓣電平大小有差別，但柵瓣位置是一致的，其原因主要是由口徑場反演的方向圖沒有考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件的影響。
根據(jù)口徑場診斷結(jié)果，我們提出了通過修正口徑場分布的方法來優(yōu)化設(shè)計(jì)漏波長槽波導(dǎo)天線，在本文中首先通過優(yōu)化設(shè)計(jì)解決口徑場分布不對(duì)稱問題，高次模問題將在后續(xù)研究中分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)后仿真得到的修正口徑場分布如圖 7 所示，從圖可見，口徑場分布的對(duì)稱性明顯改善。優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真方向圖如圖 8 所示，方向圖性能也明顯提高，主瓣內(nèi)不再分裂出臺(tái)瓣。圖 9~10 分別是寬頻帶內(nèi)優(yōu)化設(shè)計(jì)的駐波比仿真值、負(fù)載吸收率仿真值，負(fù)載吸收率的仿真值 -13.4dB 與理論值非常吻合?？梢?，優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了較好的效果，驗(yàn)證了口徑場診斷和優(yōu)化的有效性。
?圖 5 口徑場反演的方向圖 ?
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圖 6 仿真得到的方向圖
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? ? ? 圖 7 優(yōu)化設(shè)計(jì)的口徑場分布
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?圖 8 優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真方向圖
? ? 圖 9 優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真駐波比 ?
?
?
? ?圖 10 優(yōu)化設(shè)計(jì)的負(fù)載吸收率仿真值
4. 結(jié)論
漏波長槽波導(dǎo)天線的精確設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)難題，本文提出了基于 HFSS 的漏波長槽波導(dǎo)天線口徑場診斷的方法，通過對(duì)仿真模型合理設(shè)置，準(zhǔn)確提取到輻射長槽上的口徑場，根據(jù)口徑場對(duì)天線進(jìn)行分析和優(yōu)化。將口徑場分布反演得到天線遠(yuǎn)場方向圖與仿真的方向圖相比，非常吻合，證明了這種診斷方法正確有效。然后給出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，取得了明顯的優(yōu)化效果，天線副瓣明顯降低，負(fù)載吸收率與理論設(shè)計(jì)非常吻合，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。但實(shí)際的口徑場分布由很多因素決定，包括高次模、長槽偏置設(shè)計(jì)誤差、設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用條件偏差等，因此實(shí)際的優(yōu)化方法比較復(fù)雜，優(yōu)化難度較大，還有很多優(yōu)化空間和工作有待研究，將在后續(xù)繼續(xù)研究并解決。
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