波导缝隙天线的设计仿真方案

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0 引言
          波导缝隙阵列天线口径幅度易于控制，具有辐射效率高，方向性强，结构紧凑等特点，而且容易实现低副 瓣乃至极低副瓣，因此在雷达和通信领域有着广泛的应用。高频仿真软件HFSS在电磁仿真领域有着广泛的应用，有着高仿真精度、高稳定性的特点。使用 HFSS 的3D建模功能，可以很容易解决简单的模型创建问题，但是对于复杂天线结构模型的建立，没有特别有效的方法，使得建模过程十分繁琐耗时，而且容易出错。利 用HFSS 提供的VBScript脚本功能，可以对软件进行二次开发，以VBScript作为接口，利用Matlab调用HFSS协同建模仿真，可以简化模型建立的 操作，节约设计时间。
           
          本文提出了一套波导缝隙天线的快速建模方法，设计了一个波导宽边裂缝阵列天线。并以此波导缝隙天线为例，应用Matlab协同HFSS建立模型仿真，对仿真结果进行了分析。
           
          1 基本理论
          波导缝隙天线是在波导宽壁或窄壁上开缝的天线，波导中传输的电磁波可以通过缝隙向外界进行辐射。通常有宽边偏置缝、宽边倾斜缝、窄边倾斜缝隙这几种开缝形式。根据波导终端的形式不同，波导缝隙阵天线可以分为行波阵和驻波阵。行波阵的波导终端接吸收负载，单元间距稍大或稍小于λg /2 ,驻波阵在距离终端λg /4 处接短路滑块，单元间距均为λg /2 ,本文设计的就是一个波导驻波阵天线。
           
          1.1 波导缝隙天线理论分析
          波导上的辐射缝隙向外界辐射能量，引起波导负载的变化，应用传输线理论分析波导的工作状态比较方便，将相应的缝隙等效成与传输线串联的阻抗或并联的导纳，再建立对应的等效电路模型，进而可以求出各个缝隙的等效阻抗或导纳。Stevenson 等效电路法，就是根据传输线理论和波导模的格林函数导出矩形波导缝隙的计算公式。图1所示为波导宽边纵向偏置缝隙及其等效电路。

        　　

          归一化等效谐振电导为：

        　　

          　　
           
           
          对比软件仿真与式（1）计算结果误差在10-2数量级，由此可见应用式（1）计算精度可以满足设计要求。
           
          1.2 波导缝隙驻波阵设计
          按泰勒分布加权各缝隙激励幅度，副瓣电平Ro ,设计N 单元波导宽边偏置缝隙阵天线。由副瓣电平Ro确定参数A :

        　　

          　　
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
          因此，由式（2）可以计算出符合泰勒分布的各个缝隙的激励幅度值an ,代入到式（3）中：
           

        　　

         

          　　
          求出各个缝隙的归一化电导g ,再将求出的归一化电导值代入式（1）中，从而可以得出各个缝隙的偏移量。
         
          2 Matlab 协同HFSS 建模仿真
          设计一个中心频率为10 GHz,SLL=-25 dB,nˉ =4,N = 21的波导缝隙阵天线。由式（1）~式（3）综合出各个缝隙的激励幅度an ,缝隙偏移量d .缝隙的谐振长度可以通过HFSS仿真出来，仿真模型如图2所示，缝宽设置缝隙长度l 为扫描变量，满足im（Y ） = 0 时的l 值即为缝隙谐振长度。
           

        　　

         

          表1 是一组泰勒分布缝隙的激励幅度，谐振长度参数。其中12~21 号缝隙与1~10 号缝隙对称。HFSS提供了VBScript脚本语言功能，Matlab可以通过这个接口调用HFSS 建立相应的模型，实现Matlab 协同HFSS建模仿真。
           

        　　

         

          在Matlab 中需设置如下：设置HFSS 以及生成的VBScript路径；编写波导模型、激励以及边界条件程序；运行m文件生成VBScript,调用HFSS建立模型见图3.
           

        　　

         

          选用波导尺寸22.86 mm×10.16 mm,波导壁厚1 mm,馈电端口距离缝隙中心λg /2 ,末端缝隙中心距终端λg /4 ,终端短路。从图4驻波曲线可以看出在驻波小于2的带宽约为150 MHz,由图5可知E面方向图波瓣宽度约为5°，H面方向图波瓣宽度76°，天线增益为19.7 dB,第一副瓣-24.5 dB,满足设计要求。
           

        　　

         

          3 结语
          本文以泰勒幅度加权，设计了一个副瓣电平为-25 dB,缝隙数为21 的波导宽边裂缝天线。利用HFSS 的VBScript 功能作为接口，在Matlab 中编写相应的程序，生成VBScript脚本，进而调用HFSS建立了波导缝隙天线的模型，并进行了仿真分析。从仿真结果可以看出天线满足设计要求，同时 也说明了使用Matlab协同HFSS建模方法的可行性。当在建立更为复杂的天线模型时，例如波导的缝隙数量为几十甚至几百个时，因为各个缝隙参数不尽相 同，无法在HFSS中利用简单的复制操作批量完成，若将缝隙参数导入Matlab建模，则优势十分明显。