新颖的中心开孔单脉冲毫米波缝隙阵列天线的设计详细教程

1、引言

缝隙阵列天线由于它优良的电性能，被广泛应用在导引头天线上。通常的导引头天线的天线阵面，阵元都是均匀分布的。但是随着导引头技术的发展，越来越多的导引头采用了复合导引头技术，例如双微波头复合导引头、微波与毫米波复合导引头、射频与光电复合导引头等等，需要在同个导引头口径上放置多个探测器。特别对于光学导引头，其探测器需要放置在复合导引头口径中央，这就出现对中心开孔的单脉冲导引头天线阵面的需求。而对这种中心开孔的非均匀天线阵面的设计，传统的天线方向图综合方法已经不再适用。为此本文对这种新颖的中心开孔的单脉冲缝隙阵列天线进行专门的设计和分析，所采用的单脉冲缝隙阵列天线选择毫米波段能够使天线得到较高的增益。

2、天线的特点和设计方法

2.1 非均匀天线阵面的方向图综合

缝隙阵列天线中心开孔后，带来的问题是天线口面的激励分布发生了改变。对于一个激励分布均匀的天线口面，其天线阵因子的副瓣为-13dB。如果想要得到低副瓣，可以通过天线阵的加权方法进行方向图综合。均匀阵的加权方法有泰勒分布方法和切比雪夫方法等等，其特点都是口面中心激励最大，朝边缘的方向逐渐变小。但是当天线面阵中心开孔后，没有了激励最大部分，这时其天线面阵的天线副瓣就会迅速抬高。图1是一个用泰勒分布方法加权副瓣为-26dB的316个阵元的均匀阵圆口面激励分布，图2是将其面阵中心去掉4*4阵元的非均匀阵的圆口面激励分布。

图1 均匀阵圆口面加权副瓣为-26dB的激励分布立体示意图

图2将均匀阵中心去掉4*4阵元后的激励分布立体示意图

上述天线在天线面阵中心阵元去掉前后主面方向图副瓣发生的变化见图3所示。

图3 天线面阵中心开孔前后的主面方向图

可以看到天线的副瓣从原来的-26dB抬高到-19dB，原因是中心区激励幅度最大，对天线副瓣的加权比较敏感，失去中心区域的激励后导致天线副瓣恶化变差。对这种非均匀阵的天线如何重新进行副瓣加权优化，我们基于遗传算法（GA）等全局优化算法研究，提出了一种针对这种非均匀阵的全新优化方法，优化后的中心开孔非均匀阵的圆口面激励分布见图4，天线的主面的副瓣经过这种方法优化可以做到小于-25dB，效果十分显著。

图4 基于GA优化的中心开孔的圆口面激励分布

2.2 根据中心开孔的特点考虑缝隙阵元之间的互耦消除

对比均匀阵和非均匀阵副瓣加权后的激励分布（见图1和图4），有两个明显的不同：其一是均匀阵的激励幅度都是中心处为最大，而中心开孔的非均匀阵激励幅度在中心区域为零，最大的激励幅度出现在中心区域周围;其二是均匀阵从中心向天线边缘激励幅度是从大到小缓缓变化，而中心开孔的非均匀阵的激励幅度经过GA副瓣加权优化后幅度变化存在突变情况。所以在设计中心开孔的缝隙阵时，消除阵元间的互耦需要综合考虑中心开孔阵激励分布的特点。

缝隙阵的设计可以由Elloit的三个公式联解完成。其设计公式如下：

3、天线的设计与仿真

3.1 天线阵元数选择

天线的设计实例采用毫米波段。对于毫米波段，由于结构尺寸都非常小，所以要求设计的参数有很好的设计精度。

天线的具体要求是：

频率：35GHz

天线口径138mm，中间开直径为25.4mm的孔。

波导尺寸选择为宽边5.74mm，窄边2.8mm。辐射波导与馈电波导的尺寸相同。经过计算，开孔后的阵面共有300个阵元。天线阵面分为四个区，实现单脉冲天线的和波束与方位俯仰差波束。

3.2 阵元的激励幅度设计

采用GA优化设计，得到圆口面激励分布见图4，其中主面上的激励幅度分布示意见图5。

图5 中心开孔阵面副瓣加权后其主面上的激励幅度分布

3.3 天线的设计结果仿真

根据天线的激励分布，通过Elloit的公式设计得到经过副瓣加权的中心开孔非均匀缝隙阵的电气尺寸。在电磁场仿真软件中建立模型进行仿真分析，仿真模型见图6。方向图的仿真结果分别见图7至图9。

图6 天线的仿真模型（正反面）

图7 天线的立体方向图（和波束）

图8 天线E面的和差方向图

图9 天线H面的和差方向图

仿真结果，在不考虑馈线的损耗情况下，天线的增益可以达到30.75dB。天线E面的和波束宽度为4.6°，天线的副瓣电平不大于-24.9dB。天线H面的和波束宽度为4.3°，天线的副瓣电平不大于-24.5dB。

4、结论

通过对这种新颖的中心开孔的单脉冲缝隙阵列天线的研究和设计，得到了性能优良的天线设计结果，可以用于复合导引头设计中，对于新一代的复合导引头应用具有非常重要的现实意义。