W波段波导缝隙阵列天线及其应用研究

摘要

波导缝隙天线以其结构简单紧凑、可靠性高、口径面场分布易控制等优点，成为当今车载、机载和舰载雷达系统中最常用的天线形式之一。毫米波天线具有高增益、窄波束、小尺寸，满足现代雷达对于高灵敏度、高分辨率以及小型化的需求。因此，对W波段波导缝隙阵列天线的研究具有非常重要的工程实用价值。
　　本文立足于国内现有技术条件，为研制具有高增益、窄波束、低副瓣和频率扫描特性的波导缝隙天线，采用泰勒综合法和行波阵列结构，设计并加工了W波段76个缝隙单元的非谐振式波导缝隙阵列天线。在天线设计过程中，首先，基于泰勒分布和功率传输法理论基础，利用MATLAB软件完成了缝隙电流激励幅度和归一化电导值的计算。其次，为确定电导值与缝隙尺寸的关系，本文在传统实验法的基础上，结合三维电磁仿真软件HFSS，在充分考虑缝隙之间互耦的情况下，完成了“归一化电导值—缝隙倾角—切入深度”函数的提取。在提取过程中，对W波段关键设计参量辐射面波导壁厚进行了分析，阐明了这一变量对天线效率、加工和设计难度的影响。最后，通过HFSS提取天线口径面上场强分布，并与解析计算结果进行比对，进而优化缝隙尺寸以获取最终的加工尺寸。
　　为了满足实际工程应用的要求，本文在充分调研国内现有工艺水平的基础上，针对缝隙间距、缝隙倾角等关键设计参量进行了容差分析。分析结果表明该天线结构具有良好的鲁棒性。在此基础上，加工并测试了四副波导缝隙天线。测试结果表明，天线增益优于23dBi， E面半功率波束宽度为1.2°±0.04°，3dB波束扫描角度大于5°，副瓣电平低于-20dB，输入电压驻波比小于1.3。
　　最后本文结合实际应用需求，以波导缝隙天线为馈源，研制了一款椭圆柱面反射面天线。该天线在方位面采用机械扫描，俯仰面采用频率扫描。实测结果表明，该反射面天线的增益优于44dBi，E面与H面半功率波束宽度分别为1.2°±0.04°和0.4°±0.02°。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的内容安排

第二章 波导缝隙阵列天线理论基础

2．1 波导缝隙辐射机理与等效电路

2．2 阵列天线理论基础

2．3 阵列天线方向图综合概述

2．3．1 等副瓣理想空间因子

2．3．2 泰勒综合法

2．4 波导缝隙阵列天线设计方法

2．4．1 缝隙电导分布计算

2．4．2 缝隙电导函数的确定

2．5 矩形波导缝隙阵列天线分类

2．5．1 谐振式缝隙阵列(驻波阵)

2．5．2 非谐振式缝隙阵列(行波阵)

2．6 本章小结

第三章 W波段波导缝隙阵列天线设计

3．1 波导缝隙阵列天线设计要求

3．1．1 天线设计指标

3．1．2 天线设计方案选取

3．2 波导缝隙阵列天线设计步骤

3．3 波导缝隙阵列天线设计

3．3．1 缝隙激励幅度计算

3．3．2 缝隙电导分布计算

3．3．3 缝隙电导函数提取

3．3．4 初始尺寸建模与仿真

3．4 天线指标优化

3．5 天线容差分析

3．5．1 参数扫描分析

3．5．2 均匀加工误差分析

3．6 本章小结

第四章 W波段波导缝隙阵列天线测试

4．1 天线测试理论概述

4．2 天线测试方案

4．2．1 方向图与增益测试

4．2．2 输入电压驻波比测试

4．3 天线实物与测试结果

4．4 本章小结

第五章 以波导缝隙阵列天线作为馈源的反射面天线研究

5．1 应用背景简介

5．2 反射面天线仿真设计

5．2．1 反射面设计

5．2．2 抛物柱面和椭圆柱面近场辐射特性比较

5．2．3 反射面天线仿真结果

5．3 反射面天线测试结果

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．1 论文工作总结

6．2 论文工作展望

致谢

参考文献