一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法

2021-10-23 来源：榕意旅游网

第23卷第1期2006年1月中国科学院研究生院学报

JournaloftheGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciencesVol.23No.1

January2006

文章编号:100221175(2006)0120060204

一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法

张亚飞

1,2

　吕晓德

(1中国科学院电子学研究所,北京100080;2中国科学院研究生院,北京100049)

(2005年1月11日收稿;2005年3月21日收修改稿)

ZhangYF,LüXD.Anovelmethodtoimprovethebandwidthofwaveguideslotarrayantenna.JournaloftheGraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,2006,23(1):60～63

摘　要　辐射缝隙导纳及波导导内波长的频率特性,是影响裂缝天线带宽的主要因素.本文以

改善这两个参数的频率特性为出发点,提出了一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法,即用脊波导代替矩形波导作为辐射波导.仿真分析表明脊波导裂缝阵列的带宽有较大的改善,这与理论分析的结果是一致的.本文的研究成果为展宽波导裂缝天线的带宽提供了一个新的思路.关键词　裂缝天线,脊波导,带宽,驻波比,方向图中图分类号　TN82

1　引言

波导裂缝阵列天线具有较高的功率容量、较低的交叉极化、较低的馈电损耗以及较高的效率等优点而被广泛应用于雷达和通信领域.传统的矩形波导裂缝天线的带宽较窄,这使雷达和通信系统的工作受到了严重的限制.为了改善雷达的距离向分辨率,提高通信系统的信道容量,迫切需要展宽波导裂缝天线的带宽.目前,常用的改善波导缝隙天线带宽的方法有两种:(1)将天线分成若干个子阵;(2)采用中间馈电的馈电方式.但是,用这两种方法得到的天线带宽并不能满足实际系统的需要.因此,寻找新的带宽展宽方法尤为迫切.

波导裂缝阵列天线工作于谐振阵时,辐射缝中心间距为λ2(λg0Πg0为中心频率对应的导内波长).当工作频率改变时,产生两种效应,即辐射缝导纳参数发生变化;其次是驻波波峰偏离缝的中心位置.这两种效应使辐射缝的幅度和相位与理论值产生差异,从而使辐射波导输入驻波比变坏.本文以改善辐射缝隙导纳及辐射波导导内波长的频率特性为出发点,用脊波导代替矩形波导来展宽裂缝天线的带宽.与矩形波导宽边纵向缝阵的带宽相比,脊波导裂缝阵列的带宽有较大的改善.

[1]

2　理论分析

裂缝阵列的带宽与辐射缝隙导纳及辐射波导导内波长的频率特性有关.导纳和导内波长随工作频率的变化越慢,裂缝阵列的带宽就会越宽.

下面具体分析脊波导和矩形波导的辐射缝导纳及导内波长随频率的变化情况.

脊波导的几何结构如图1所示.这里脊波导的结构参数,

a1=119101cm,a2=012946cm,b1=019855cm,b2=015817cm,

[2]

脊波导壁厚为010813cm,缝宽取011626cm,中心频率为

图1　脊波导的几何结构

　第1期张亚飞,吕晓德:一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法　　61　

9GHz

[3]

.矩形波导选用X波段标准波导,波导壁厚取011270cm,缝宽取011588cm,中心频率为91375GHz.

脊波导和矩形波导都工作在X波段.

脊波导和矩形波导辐射缝的导纳特性如图2所示.横坐标y(lΠlr)表示用谐振长度归一化的缝长,其中l表示缝隙的长度,lr表示缝隙的谐振长度.纵坐标GΠGr和BΠGr分别用谐振电导归一化的电导和电纳.从图2中可以看出,脊波导辐射缝的导纳随缝长(即频率)的变化较慢.

图2　脊波导和矩形波导辐射缝的导纳特性

波导的导内波长

λg=

λ)1-(λΠc10

cλf-(cΠc10)

,(1)

　　其中,λ为工作波长;f为工作频率;c为光速;λc10为TE10模的截止波长.将导内波长对频率求导,可以得到导内波长随频率变化的速度

K=|(λg)′f|=

fc,23Π2

λ|[f-(cΠ|c10)]

(2)

　　由式(2)可以看出,在固定频率点,导内波长的变

化速度与TE10模的截止波长成反比.由于脊棱边缘电容的作用,使得脊波导TE10模的截止波长比矩形波导TE10模的截止波长要长.所以,在工作频率变化时,脊波导导内波长的变化要比矩形波导导内波长的变化缓慢.

文中脊波导和矩形波导TE10模的截止波长分别为517150cm

[4]

和415720cm.脊波导和矩形波导的导内波

长与频率的关系如图3所示.从图3中可以看出,脊波导导内波长随频率的变化较缓慢,与公式(2)分析的结果一致.

通过上面的分析可以看出,脊波导的应用可以改善辐射缝隙导纳和辐射波导导内波长的频率特性.所以,能够用脊波导作为辐射波导来改善裂缝天线的带宽.

[5,6]

图3　脊波导和矩形波导的导内

波长与频率的关系

3　阵列设计

根据理论分析中脊波导和矩形波导的参数,设计终端短路的脊波导和矩形波导宽边纵向四元谐振

阵,如图4所示.这两个阵列都为均匀激励、等间距线阵.

利用AnsoftHFSS做优化分析.脊波导缝阵中,缝隙的偏置x=014173cm,缝长l=117094cm;矩形波导缝阵中,缝隙的偏置x=013465cm,缝长l=115875cm.

4　数值结果

下面使用AnsoftHFSS分析脊波导和矩形波导缝阵的频率特性和辐射特性.

62中国科学院研究生院学报第23卷

采用端馈的馈电方式,计算出阵列的驻波比曲线如图5所示.VSWR<2时,脊波导宽边纵向四缝阵的带宽约为1313%,矩形波导宽边纵向四缝阵的带宽约为918%.脊波导缝阵的带宽与矩形波导缝阵的带宽相比有较大的改善,这与理论分析的结果是一致的.

(a)终端短路的脊波导宽边纵向四元谐振阵图4　

(b)终端短路的矩形波导宽边纵向四元谐振阵

图5　脊波导缝阵和矩形波导缝阵的驻波比曲线图6　脊波导缝阵和矩形波导缝阵的归一化方向图

　　在驻波比带宽内,脊波导和矩形波导缝阵的辐射特性如图6所示.图6给出了脊波导和矩形波导缝阵在YZ平面的方向图.横坐标θ表示YZ平面内的点与Z正方向的夹角,单位为度.纵坐标表示天线的增益,单位为dB.从图中可以看出,下限频率点和上限频率点的方向图与中心频率点的方向图相比变化并不大.所以,通过改变辐射波导的形式来展宽裂缝阵列的带宽是有效的.

5　结论

辐射缝隙导纳及波导导内波长的频率特性,是影响裂缝天线带宽的主要因素.本文以改善这两个参数的频率特性为出发点,提出了一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法,即用脊波导代替矩形波导作为辐射波导.文中给出了理论和仿真分析,仿真结果与理论分析的结果一致.与矩形波导裂缝阵列的带宽相比,脊波导裂缝阵列的带宽有较大的改善.本文的研究成果为展宽波导裂缝天线的带宽提供了一个新的思路.

　第1期张亚飞,吕晓德:一种展宽波导裂缝天线带宽的新方法　　63　

References

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[3]　KimDY,ElliottRS.Adesignprocedureforslotarraysfedbysingle2ridgewaveguide.IEEETransactionsonantennasandpropagation,1988,

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[4]　ZhaoYT,ZhouXL.MicrowaveTechnologyandAntennas.Nanjing:SoutheastUniversityPublishingHouse,1995(inChinese)[5]　HopferS.Thedesignofridgedwaveguides.IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1955,3:20～29

[6]　PyleJR.ThecutoffwavelengthoftheTE10modeinridgedrectangularwaveguideofanyaspectratio.IEEETransactionsonMicrowaveTheoryand

Techniques,1966,14:175～183

附中文参考文献

[1]　李俊沛.平板裂缝阵列天线述评.见:李俊沛.波导裂缝阵列天线文选.南京:电子工业部第14研究所,1994.22～32[4]　赵姚同,周希朗.微波技术与天线.南京:东南大学出版社,1995

ANovelMethodtoImprovetheBandwidthof

WaveguideSlotArrayAntenna

ZHANGYa2Fei

1,2

　LU¨Xiao2De

(1InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China;2Graduateschool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract　Thefrequencycharacteristicoftheadmittanceofradiatingslotandthewaveguidewavelengthofradiatingwaveguideisthemainfactorthatinfluencesthebandwidthoftheslotarrayantenna.Basedontheideaofimprovingthefrequencycharacteristicofthetwoparametersabove,anovelmethodofimprovingthebandwidthoftheslotarrayantennaispresentedinthispaper,whichusesaridgedwaveguideinsteadofarectangularwaveguideastheradiatingwaveguide.Thesimulationanalysishasindicatedthatthebandwidthofridgedwaveguideslotarrayhasbeengreatlyimproved,anditisconsistentwiththeresultofthetheory.Theresultofthispaperbringsforwardanewideaforimprovingthebandwidthoftheslotarrayantenna.

Keywords　slotarrayantenna,ridgewaveguide,bandwidth,VSWR(voltagestanding2waveratio),radiationpattern

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