波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計(jì)仿真方案詳細(xì)教程

1. 引言

波導(dǎo)縫隙陣列天線口徑幅度易于控制，具有輻射效率高，方向性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，而且容易實(shí)現(xiàn)低副瓣乃至極低副瓣，因此在雷達(dá)和通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高頻仿真軟件HFSS在電磁仿真領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，有著高仿真精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。使用HFSS 的3D建模功能，可以很容易解決簡單的模型創(chuàng)建問題，但是對(duì)于復(fù)雜天線結(jié)構(gòu)模型的建立，沒有特別有效的方法，使得建模過程十分繁瑣耗時(shí)，而且容易出錯(cuò)。利用HFSS 提供的VBScript腳本功能，可以對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以VBScript作為接口，利用Matlab調(diào)用HFSS協(xié)同建模仿真，可以簡化模型建立的操作，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。

本文提出了一套波導(dǎo)縫隙天線的快速建模方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)波導(dǎo)寬邊裂縫陣列天線。并以此波導(dǎo)縫隙天線為例，應(yīng)用Matlab協(xié)同HFSS建立模型仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

2.基本理論

波導(dǎo)縫隙天線是在波導(dǎo)寬壁或窄壁上開縫的天線，波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪梢酝ㄟ^縫隙向外界進(jìn)行輻射。

通常有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫、窄邊傾斜縫隙這幾種開縫形式。根據(jù)波導(dǎo)終端的形式不同，波導(dǎo)縫隙陣天線可以分為行波陣和駐波陣。行波陣的波導(dǎo)終端接吸收負(fù)載，單元間距稍大或稍小于λg /2 ，駐波陣在距離終端λg /4 處接短路滑塊，單元間距均為λg /2 ，本文設(shè)計(jì)的就是一個(gè)波導(dǎo)駐波陣天線。

2.1 波導(dǎo)縫隙天線理論分析

波導(dǎo)上的輻射縫隙向外界輻射能量，引起波導(dǎo)負(fù)載的變化，應(yīng)用傳輸線理論分析波導(dǎo)的工作狀態(tài)比較方便，將相應(yīng)的縫隙等效成與傳輸線串聯(lián)的阻抗或并聯(lián)的導(dǎo)納，再建立對(duì)應(yīng)的等效電路模型，進(jìn)而可以求出各個(gè)縫隙的等效阻抗或?qū)Ъ{。Stevenson 等效電路法，就是根據(jù)傳輸線理論和波導(dǎo)模的格林函數(shù)導(dǎo)出矩形波導(dǎo)縫隙的計(jì)算公式。圖1所示為波導(dǎo)寬邊縱向偏置縫隙及其等效電路。

歸一化等效諧振電導(dǎo)為：

對(duì)比軟件仿真與式（1）計(jì)算結(jié)果誤差在10-2數(shù)量級(jí)，由此可見應(yīng)用式（1）計(jì)算精度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2波導(dǎo)縫隙駐波陣設(shè)計(jì)

按泰勒分布加權(quán)各縫隙激勵(lì)幅度，副瓣電平Ro ，設(shè)計(jì)N 單元波導(dǎo)寬邊偏置縫隙陣天線。由副瓣電平Ro確定參數(shù)A ：

因此，由式（2）可以計(jì)算出符合泰勒分布的各個(gè)縫隙的激勵(lì)幅度值an ，代入到式（3）中：

求出各個(gè)縫隙的歸一化電導(dǎo)g ，再將求出的歸一化電導(dǎo)值代入式（1）中，從而可以得出各個(gè)縫隙的偏移量。

2.3 Matlab 協(xié)同HFSS 建模仿真

設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為10 GHz，SLL=-25 dB，nˉ =4，N = 21的波導(dǎo)縫隙陣天線。由式（1）~式（3）綜合出各個(gè)縫隙的激勵(lì)幅度an ，縫隙偏移量d ?？p隙的諧振長度可以通過HFSS仿真出來，仿真模型如圖2所示，縫寬設(shè)置縫隙長度l 為掃描變量，滿足im（Y ） = 0 時(shí)的l 值即為縫隙諧振長度。

表1 是一組泰勒分布縫隙的激勵(lì)幅度，諧振長度參數(shù)。其中12~21 號(hào)縫隙與1~10 號(hào)縫隙對(duì)稱。HFSS提供了VBScript腳本語言功能，Matlab可以通過這個(gè)接口調(diào)用HFSS 建立相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)Matlab 協(xié)同HFSS建模仿真。

在Matlab 中需設(shè)置如下：設(shè)置HFSS 以及生成的VBScript路徑；編寫波導(dǎo)模型、激勵(lì)以及邊界條件程序；運(yùn)行m文件生成VBScript，調(diào)用HFSS建立模型見圖3.

選用波導(dǎo)尺寸22.86 mm×10.16 mm，波導(dǎo)壁厚1 mm，饋電端口距離縫隙中心λg /2 ，末端縫隙中心距終端λg /4 ，終端短路。從圖4駐波曲線可以看出在駐波小于2的帶寬約為150 MHz，由圖5可知E面方向圖波瓣寬度約為5°，H面方向圖波瓣寬度76°，天線增益為19.7 dB，第一副瓣-24.5 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文以泰勒幅度加權(quán)，設(shè)計(jì)了一個(gè)副瓣電平為-25 dB，縫隙數(shù)為21 的波導(dǎo)寬邊裂縫天線。利用HFSS 的VBScript 功能作為接口，在Matlab 中編寫相應(yīng)的程序，生成VBScript腳本，進(jìn)而調(diào)用HFSS建立了波導(dǎo)縫隙天線的模型，并進(jìn)行了仿真分析。從仿真結(jié)果可以看出天線滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也說明了使用Matlab協(xié)同HFSS建模方法的可行性。當(dāng)在建立更為復(fù)雜的天線模型時(shí)，例如波導(dǎo)的縫隙數(shù)量為幾十甚至幾百個(gè)時(shí)，因?yàn)楦鱾€(gè)縫隙參數(shù)不盡相同，無法在HFSS中利用簡單的復(fù)制操作批量完成，若將縫隙參數(shù)導(dǎo)入Matlab建模，則優(yōu)勢(shì)十分明顯。