柱面共形裂縫陣天線的設(shè)計(jì)與仿真 （一）

1 前言

波導(dǎo)裂縫陣天線容易控制口徑面上的幅度分布和相位分布，口徑面的利用效率高，體積小，剖面低，重量輕，在雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。但越來越多的要求需要天線與平臺(tái)載體共形，這就對(duì)裂縫陣天線提出了更高的要求。柱面共形陣中需補(bǔ)償從圓柱面上各輻射源到設(shè)計(jì)想的平口面的路程差在平口面上引起的非線性相位差，比如直徑為30λ的圓柱上，弧寬約10λ的陣面路程差在等效平口面引起的最大相差達(dá)260°，通過計(jì)算標(biāo)明，若不補(bǔ)償，天線主瓣會(huì)裂頭，因此必須對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)，補(bǔ)償其相位差。

2 天線設(shè)計(jì)

A. 指標(biāo)要求

頻率：f0±50MHz;

天線口徑：約

天線需與直徑f=30λ的圓柱共形

增益：35dB;

波束寬度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣電平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 電性能設(shè)計(jì)

裂縫陣天線由輻射層，耦合層和饋電系統(tǒng)組成，耦合層和饋電層在同一層，以滿足天線的厚度要求，耦合層為圓弧彎波導(dǎo)，通過其公共壁上的耦合孔向扇形波導(dǎo)饋電，圖1所示。

圖1 柱面共形陣列側(cè)示圖

(a) P面電性能設(shè)計(jì)

每一線源共136個(gè)陣元，其口徑分布按旁瓣電平-22dB的泰勒分布設(shè)計(jì)。圖2為其口徑幅度分布，根據(jù)圖2給出的激勵(lì)可以算得其相應(yīng)的預(yù)期方向圖如圖3所示。波束的半功率寬度為0.59°，副瓣電平為-22dB。

圖2 線陣的幅度分布

圖3 天線線陣-22dB旁瓣泰勒分布方向圖

在本天線陣列中，出于對(duì)陣列工作頻率帶寬的考慮，每一線源被劃分成四根等長(zhǎng)的短線源，而每部分的短線源與其平行排布的12根其它短線源組成的子陣后，再通過一個(gè)一到四的波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)來組合到一塊。由于陣面在軸向?qū)嵭辛朔燃訖?quán)，因此各個(gè)子陣的輻射的功率并不都相同。為了滿足幅度分布，該功分網(wǎng)絡(luò)針對(duì)子陣的四個(gè)出口的功分比分別為0.144、0.356、0.356和0.144(或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB)。

(b) Q面電性能設(shè)計(jì)

Q面電性能設(shè)計(jì)為共形陣列的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，即耦合陣列設(shè)計(jì)是天線設(shè)計(jì)重點(diǎn)，通過耦合陣列的設(shè)計(jì)來補(bǔ)償空間相位差。饋電波導(dǎo)耦合縫的位置和耦合強(qiáng)度決定了呈圓弧排列的線源在Q面的口徑分布。因Q面各線源不在空間同一平面位置所造成的相位差如圖4所示。

這樣的相位差必需進(jìn)行補(bǔ)償，否則該面波束會(huì)出現(xiàn)凹陷，如果我們假設(shè)面陣在弧向方向的幅度按照均勻方式分布，其方向圖如圖5所示。

其空間相位差補(bǔ)償后的方向圖如圖6所示。由圖可見，通過饋電波導(dǎo)進(jìn)行相位補(bǔ)償后Q面方向圖與原預(yù)期方向圖基本一致。即方向圖主瓣寬度為5.1°，副瓣電平-13.3dB左右，滿足對(duì)波束寬度和副瓣電平的指標(biāo)要求。

圖4 空間相位差

圖5 未補(bǔ)相時(shí)的Q面方向圖

圖6 補(bǔ)相后的Q面方向圖