波導縫隙天線的設計仿真方案

0 引言

波導縫隙陣列天線口徑幅度易于控制，具有輻射效率高，方向性強，結構緊湊等特點，而且容易實現低副 瓣乃至極低副瓣，因此在雷達和通信領域有著廣泛的應用。高頻仿真軟件HFSS在電磁仿真領域有著廣泛的應用，有著高仿真精度、高穩定性的特點。使用 HFSS 的3D建模功能，可以很容易解決簡單的模型創建問題，但是對于復雜天線結構模型的建立，沒有特別有效的方法，使得建模過程十分繁瑣耗時，而且容易出錯。利 用HFSS 提供的VBScript腳本功能，可以對軟件進行二次開發，以VBScript作為接口，利用Matlab調用HFSS協同建模仿真，可以簡化模型建立的 操作，節約設計時間。

本文提出了一套波導縫隙天線的快速建模方法，設計了一個波導寬邊裂縫陣列天線。并以此波導縫隙天線為例，應用Matlab協同HFSS建立模型仿真，對仿真結果進行了分析。

1 基本理論

波導縫隙天線是在波導寬壁或窄壁上開縫的天線，波導中傳輸的電磁波可以通過縫隙向外界進行輻射。通常有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫、窄邊傾斜縫隙這幾種開縫形式。根據波導終端的形式不同，波導縫隙陣天線可以分為行波陣和駐波陣。行波陣的波導終端接吸收負載，單元間距稍大或稍小于λg /2 ,駐波陣在距離終端λg /4 處接短路滑塊，單元間距均為λg /2 ,本文設計的就是一個波導駐波陣天線。

1.1 波導縫隙天線理論分析

波導上的輻射縫隙向外界輻射能量，引起波導負載的變化，應用傳輸線理論分析波導的工作狀態比較方便，將相應的縫隙等效成與傳輸線串聯的阻抗或并聯的導納，再建立對應的等效電路模型，進而可以求出各個縫隙的等效阻抗或導納。Stevenson 等效電路法，就是根據傳輸線理論和波導模的格林函數導出矩形波導縫隙的計算公式。圖1所示為波導寬邊縱向偏置縫隙及其等效電路。

歸一化等效諧振電導為：

對比軟件仿真與式（1）計算結果誤差在10-2數量級，由此可見應用式（1）計算精度可以滿足設計要求。

1.2 波導縫隙駐波陣設計

按泰勒分布加權各縫隙激勵幅度，副瓣電平Ro ,設計N 單元波導寬邊偏置縫隙陣天線。由副瓣電平Ro確定參數A :

因此，由式（2）可以計算出符合泰勒分布的各個縫隙的激勵幅度值an ,代入到式（3）中：

求出各個縫隙的歸一化電導g ,再將求出的歸一化電導值代入式（1）中，從而可以得出各個縫隙的偏移量。

2 Matlab 協同HFSS 建模仿真

設計一個中心頻率為10 GHz,SLL=-25 dB,nˉ =4,N = 21的波導縫隙陣天線。由式（1）~式（3）綜合出各個縫隙的激勵幅度an ,縫隙偏移量d .縫隙的諧振長度可以通過HFSS仿真出來，仿真模型如圖2所示，縫寬設置縫隙長度l 為掃描變量，滿足im（Y ） = 0 時的l 值即為縫隙諧振長度。

表1 是一組泰勒分布縫隙的激勵幅度，諧振長度參數。其中12~21 號縫隙與1~10 號縫隙對稱。HFSS提供了VBScript腳本語言功能，Matlab可以通過這個接口調用HFSS 建立相應的模型，實現Matlab 協同HFSS建模仿真。

在Matlab 中需設置如下：設置HFSS 以及生成的VBScript路徑；編寫波導模型、激勵以及邊界條件程序；運行m文件生成VBScript,調用HFSS建立模型見圖3.

選用波導尺寸22.86 mm×10.16 mm,波導壁厚1 mm,饋電端口距離縫隙中心λg /2 ,末端縫隙中心距終端λg /4 ,終端短路。從圖4駐波曲線可以看出在駐波小于2的帶寬約為150 MHz,由圖5可知E面方向圖波瓣寬度約為5°，H面方向圖波瓣寬度76°，天線增益為19.7 dB,第一副瓣-24.5 dB,滿足設計要求。

3 結語

本文以泰勒幅度加權，設計了一個副瓣電平為-25 dB,縫隙數為21 的波導寬邊裂縫天線。利用HFSS 的VBScript 功能作為接口，在Matlab 中編寫相應的程序，生成VBScript腳本，進而調用HFSS建立了波導縫隙天線的模型，并進行了仿真分析。從仿真結果可以看出天線滿足設計要求，同時 也說明了使用Matlab協同HFSS建模方法的可行性。當在建立更為復雜的天線模型時，例如波導的縫隙數量為幾十甚至幾百個時，因為各個縫隙參數不盡相 同，無法在HFSS中利用簡單的復制操作批量完成，若將縫隙參數導入Matlab建模，則優勢十分明顯。