波导缝隙阵列天线快速建模和低副瓣设计

发布时间：2020-04-20 03:10

【摘要】：波导缝隙阵列天线一般由许多开在矩形波导壁上的半波缝隙组成,由于其馈电通路与辐射单元融为一体,辐射单元的物理尺寸、相对位置都容易调节,且一体化的金属箱梁式结构能够承受较强的冲击,故而波导缝隙阵列天线兼具了结构紧凑、重量轻、可靠性高、易于共形、口径利用率高、口径分布易于控制等特点,在雷达与通信等领域得到了广泛的应用。本文着眼于低副瓣波导缝隙阵列天线,探究其自动设计和自动优化方法,主要工作内容如下:1、从缝隙天线的基础理论出发,对矩形波导缝隙天线的设计原理进行了阐述,并根据Elliott的波导缝隙阵列天线设计方程,简述了借助于广泛使用的电磁仿真软件Ansoft HFSS对波导缝隙行波阵和驻波阵进行设计的流程,并介绍了泰勒方向图综合的基本原理。为后文的软件开发和天线设计提供理论基础;2、自主编写了波导缝隙阵列天线自动设计软件,用以实现波导缝隙驻波阵和行波阵的自动设计。软件开发在MATALB环境下进行。该软件可以通过Script接口控制HFSS进行自动建模仿真,并自动调用Microsoft Word进行仿真报告的自动记录。经验证,该软件可以在很大程度上对天线设计效率加以提高;3、为了进一步提高天线的性能,降低天线的副瓣电平,探索了两种不同的优化方法,包括基于遗传算法(GA)的直接优化和基于“等效导纳法”的间接优化。以仿真实例对比了两种优化算法应用于波导缝隙阵列天线设计过程的优劣,并将“等效导纳法”嵌套于自动设计软件当中;4、借助于自行开发的波导缝隙阵列天线自动设计软件,设计了符合指标要求的低副瓣波导缝隙驻波阵,并以之组成了平板缝隙阵列天线。依据波导耦合缝隙的设计原理,对平板缝隙阵列进行缝隙耦合馈电。所设计的平板缝隙阵列天线工作于24GHz,工作带宽100MHz,工作频带内驻波比小于1.5,方向图增益大于35dB,方位面和俯仰面的副瓣电平与波束宽度均符合指标要求。最终进行了实物加工和测试,加工测试结果与仿真设计结果吻合良好。
【图文】：

波导缝隙阵列天线自动设计软件系统框图根据上文所简述的 HFSS-MATLAB-API 的基本原理及其功能，立足于第二章所详述的波导缝隙阵列天线设计理论，为了简化仿真设计和优化流程，减少冗余的重复性参数调整工作，从而提高设计效率，我们以 MATLABR2017a 和 HFSS15.0 为依托，自行编写了适用于波导缝隙阵列天线的设计软件，其系统框图如图 3.1 所示。设计流

34图 3.12 给出了理论近场与实际近场的相位分布对比及二者之间的相位差；图 3.13给出了相应的远场方向图的对比及近场幅度分布的对比。以上曲线均为相位优化过程开始时由 MATLAB 自动记录到优化报告中。从图 3.12(a)可以看出，如果不考虑传输线相位的周期性变化，实际的相位曲线可以近似看做一条有固定斜率的直线。在这里用 MATLAB 使第一个缝隙的实际相位与理论相位相等，即初相对准，并对实际相位进行线性拟合，所得到的拟合结果记为 phR ( n )，n 为缝隙编号，那么则有：phR ( n ) = α ( n 1) + phR(1 )(3-1)α 为线性拟合后的直线斜率。初相对准后，理论相位为：
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN823.24

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本文编号：2634078