柱面共形裂缝阵天线的设计与仿真解析

1 前言

波导裂缝阵天线容易控制口径面上的幅度分布和相位分布，口径面的利用效率高，体积小，剖面低，重量轻，在雷达和微波通信系统中获得了广泛的应用。但越来越多的要求需要天线与平台载体共形，这就对裂缝阵天线提出了更高的要求。柱面共形阵中需补偿从圆柱面上各辐射源到设计想的平口面的路程差在平口面上引起的非线性相位差，比如直径为30λ的圆柱上，弧宽约10λ的阵面路程差在等效平口面引起的最大相差达260°，通过计算标明，若不补偿，天线主瓣会裂头，因此必须对此进行设计，补偿其相位差。

2 天线设计

A. 指标要求

频率：f0±50MHz;

天线口径：约

天线需与直径f=30λ的圆柱共形

增益：35dB;

波束宽度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣电平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 电性能设计

裂缝阵天线由辐射层，耦合层和馈电系统组成，耦合层和馈电层在同一层，以满足天线的厚度要求，耦合层为圆弧弯波导，通过其公共壁上的耦合孔向扇形波导馈电，图1所示。

图1 柱面共形阵列侧示图

（a） P面电性能设计

每一线源共136个阵元，其口径分布按旁瓣电平-22dB的泰勒分布设计。图2为其口径幅度分布，根据图2给出的激励可以算得其相应的预期方向图如图3所示。波束的半功率宽度为0.59°，副瓣电平为-22dB。

图2 线阵的幅度分布

图3 天线线阵-22dB旁瓣泰勒分布方向图

在本天线阵列中，出于对阵列工作频率带宽的考虑，每一线源被划分成四根等长的短线源，而每部分的短线源与其平行排布的12根其它短线源组成的子阵后，再通过一个一到四的波导功分网络来组合到一块。由于阵面在轴向实行了幅度加权，因此各个子阵的辐射的功率并不都相同。为了满足幅度分布，该功分网络针对子阵的四个出口的功分比分别为0.144、0.356、0.356和0.144（或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB）。

（b） Q面电性能设计

Q面电性能设计为共形阵列的设计重点，即耦合阵列设计是天线设计重点，通过耦合阵列的设计来补偿空间相位差。馈电波导耦合缝的位置和耦合强度决定了呈圆弧排列的线源在Q面的口径分布。因Q面各线源不在空间同一平面位置所造成的相位差如图4所示。

这样的相位差必需进行补偿，否则该面波束会出现凹陷，如果我们假设面阵在弧向方向的幅度按照均匀方式分布，其方向图如图5所示。

其空间相位差补偿后的方向图如图6所示。由图可见，通过馈电波导进行相位补偿后Q面方向图与原预期方向图基本一致。即方向图主瓣宽度为5.1°，副瓣电平-13.3dB左右，满足对波束宽度和副瓣电平的指标要求。

图4 空间相位差

图5 未补相时的Q面方向图

图6 补相后的Q面方向图

相位补偿的方案设计

在柱面共形阵的设计中，文献［4］给出了一种相位补偿的设计方法，其耦合波导采用行波阵，利用缝在宽波导内的上下偏置引起π相移，偏置的大小以及缝的倾角同时控制相移和幅度。在设计时必须适当选取辐射缝所处位置到假想平口面的相位与耦合波导中每个辐射波导的相位，使其剩余相位差较小的情况下，用斜缝的位置来补偿这一相位差，设计比较复杂繁琐，并且仿真验证时发现，这种补偿方式对辐射波导的两端口所引起的相位并不一致。

该耦合波导采用宽边开斜缝驻波阵，斜缝夹角相等，满足Q面等幅分布，相邻夹角正负反相，间距

，满足同相分布，中间馈电给辐射波导。辐射波导上开纵向缝隙，采用驻波阵，通过纵向缝隙离耦合隙缝的距离来控制所需相位，P面幅度分布通过在辐射波导靠近隙缝的地方加感性膜片来实现。

通过控制辐射隙缝到耦合隙缝的距离，就可以达到控制辐射隙缝的相位，所需相位与距离之间的关系满足（7）式。d为所需间距，所需相位与辐射波导中波导波长的关系式为

，为了验证理论的正确性，通过建如图7所示模型进行仿真，每个辐射隙缝相对耦合隙缝的间距为

，n取±1，±2，±3，对d进行参数化扫描，在馈电缝左右各取一个缝看近场相位，即可看出d与相位的关系，考虑一般性均取中间缝。仿真结果见图8所示。

图7 建模

图8 相位与间距之间的关系

仿真结果与理论计算结果一致，进而验证了这种馈相方案的正确性。

3 大阵仿真

A. CST微波工作室®的特点

本柱面裂缝阵的天线口径达到

，加之其具有共形结构，且柱面缝隙、感性膜片等部分非常精细，这使得对其进行全波仿真分析变得非常复杂。

3D电磁场仿真软件CST微波工作室®采用有限积分算法，此算法能快速处理时域宽带和电大尺寸问题。有限积分算法中使用了理想边界拟合®（PBA）技术后，与经典的FDTD算法只限于阶梯网格近似（Staircase Mesh）相比，CST微波工作室®不仅保持了结构化直角坐标系网格的所有优点，并且可以对曲线结构进行精确建模，实现了精度与速度的双重保证。CST微波工作室®拥有业内最佳的三维建模界面，可以迅速准确的建立和修改三维几何模型，其时域求解器可在一次激励仿真下就完成全频段参数特性的计算，因此非常适合本问题的建模与仿真。

B. 建模

利用模型的对称性，建模时只需建立一半结构，即可利用对称性完成仿真任务。

该模型由12根辐射波导和两根馈电波导组成。辐射波导之间都有扼流槽，每根辐射波导上都有68个左右的辐射缝隙。天线阵被分成I、II两个子阵，两个馈电波导分别位于两个子阵中。每根馈电波导上都有对应于辐射波导的12个馈电缝隙，金属膜片与馈电缝隙相对应。

辐射缝隙不仅数量多，而且每一根辐射波导上的缝隙并不相同，无法直接使用对称性建模。如果单独建模每一个缝隙，无疑工作量是巨大的。这里采用一种基于CST VBA宏命令的半自动建模方法来简化这一繁琐的过程。

最后仿真用模型如图9所示，I子阵的馈电波导端口设置为端口1，II子阵馈电波导端口设置为端口2。端口1和端口2的幅度比为0.637：1。

C. 仿真结果

使用CST微波工作室的时域求解器，整个裂缝阵天线仿真的总网格数达到142，156，080，精细分辨了裂缝阵和馈电波导金属膜片等微小结构。图10、图11分别给出了中心频率f0下，天线P面与Q面方向图。

图9 波导端口设置

图10 P面增益方向图

图11 Q面增益方向图

可以看出，天线增益达到了38.4dB，P面副瓣电平：-22.1dB，波束宽度为0.6°;Q面副瓣电平-13.3dB，波束宽度为5.6°。仿真结果和理论设计取得了较好的一致。

4、结论

该天线采用了一种新的相位控制的技术，补偿了由于柱面缝隙阵射线路程长度不等所引起的相位差，实现了Q面共形设计，通过CST商业仿真软件仿真验证了方案的正确性，为共形阵列天线的设计又提供了一种新的方案选择。仿真结果表明，天线达到了所需的指标要求，其主要技术指标有：P面半功率波束宽度：0.6°，P面副瓣电平：-22dB，Q面半功率波束宽度：5°～6°，Q面副瓣电平：-12dB左右，增益大于37.7dB，与理论设计非常吻合。