柱面共形裂縫陣天線的設計與仿真 （一）

1 前言

波導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，在雷達和微波通信系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。但越來越多的要求需要天線與平臺載體共形，這就對裂縫陣天線提出了更高的要求。柱面共形陣中需補償從圓柱面上各輻射源到設計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260°，通過計算標明，若不補償，天線主瓣會裂頭，因此必須對此進行設計，補償其相位差。

2 天線設計

A. 指標要求

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. 電性能設計

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，通過其公共壁上的耦合孔向扇形波導饋電，圖1所示。

圖1 柱面共形陣列側(cè)示圖

(a) P面電性能設計

每一線源共136個陣元，其口徑分布按旁瓣電平-22dB的泰勒分布設計。圖2為其口徑幅度分布，根據(jù)圖2給出的激勵可以算得其相應的預期方向圖如圖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，出于對陣列工作頻率帶寬的考慮，每一線源被劃分成四根等長的短線源，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，再通過一個一到四的波導功分網(wǎng)絡來組合到一塊。由于陣面在軸向?qū)嵭辛朔燃訖?quán)，因此各個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)絡針對子陣的四個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面電性能設計

Q面電性能設計為共形陣列的設計重點，即耦合陣列設計是天線設計重點，通過耦合陣列的設計來補償空間相位差。饋電波導耦合縫的位置和耦合強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行補償，否則該面波束會出現(xiàn)凹陷，如果我們假設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。

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

圖4 空間相位差

圖5 未補相時的Q面方向圖

圖6 補相后的Q面方向圖