大型高效率单脉冲毫米波波导缝隙阵设计

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    单脉冲天线多使用反射面天线，用多喇叭或其他多模技术获得单脉冲天线的和、差信号。但天线的前后径长、转动惯量大，且馈源的遮挡效应会影响天线效率。平板缝隙阵列天线无口径遮挡效应和能量照射漏失，可精确控制天线口径电流分布，从而容易实现超低副瓣。同时它具有体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大等特点，因此在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着其它类型天线无法取代的优势。波导缝隙天线的研究始于20世纪40年代末期。

     由于大型毫米波波导缝隙阵列的波导层数较多，对加工和焊接精度要求较高，目前国内毫米波波导缝隙阵天线的加工存在一定困难，国内各单位设计的毫米波波导缝隙阵天线效率一般在40%左右。本项目涉及近千个缝隙，传统方法设计的大型毫米波波导缝隙阵天线层数多，尺寸非常精细，精度要求高，加工难度大，效率低下，难以实现近千个缝隙的大型毫米波阵列，因此国内尚未见大型毫米波缝隙阵天线的成熟应用。通过优化设计方法，减小缝隙阵列天线的加工和焊接难度，降低了天线剖面，使天线口径效率达到63.5%。

1   基于改进型Elliott算法的大型毫米波波导缝隙阵设计方法

    波导缝隙阵的缝隙单元波束宽度宽，单元间互耦严重，会极大地影响天线阵列方向图。大型阵列的互耦补偿难度非常大，采用经典的Elliott设计公式计算量大，优化困难，只能应用于小型阵列的互耦补偿，无法解决大型波导缝隙阵列的互耦补偿问题，同时该算法认为波导缝隙宽度和所在面的波导壁厚可忽略不计，而在毫米波频段，缝隙宽度和缝隙所在的波导壁厚相对于波长均不可忽略。因此本课题对Elliott算法进行了改进，把易于工程实现的缝隙单元尺寸(含缝隙尺寸、波导腔体尺寸及其壁厚)用三维仿真软件拟合出其特征曲线，并代入到Elliott公式中，由于整个阵列包含近千个缝隙单元，需要解算数十万个方程组，这是非常困难的，需要合理优化阵列以减少运算量。课题组把大型阵列划分为多个小子阵，通过子阵级解算互耦，逐级递推到整体阵列，合理选取每一个缝隙单元需要考虑的互耦对象(例如，只选取相邻的8个单元进行子阵级的互耦解算)。通过上述方法，大大减少互耦补偿的运算量，从而精确补偿了大型阵列的互耦。

    通过上述算法，计算每个缝隙在阵列环境下其它缝隙与其互耦产生的导纳分量，其特性由实部和虚部两部分组成。根据仿真计算，每个单元纵向和横向均只需要考虑与其相邻的8个波导缝隙进行互耦计算，相距更远处的互耦可忽略不计，以减少整体计算量。计算得到的互耦量的虚部通过加长或者缩减缝隙长度l进行补偿，实部通过调整缝隙相对波导中心线的偏移量s补偿，如图1所示。

2   关键尺寸的高容差设计

     在毫米波频段，大型阵列设计难度大、层数较多、结构复杂、尺寸精细，加工精度相对于波长不可忽略，导致加工和焊接精度对天线的性能影响极大，严重影响天线的效率。因此天线关键尺寸应采用高容差设计以改善天线的工程可实现性并提升其口径效率。

    对于近千个单元的缝隙阵设计，经典设计方法中缝隙宽度和波导壁厚均应小于l/20波长(在毫米波频段l约为0.5 mm)，同时波导一般采用半高波导。这种方法设计的缝隙阵其辐射缝隙相对波导中心线的偏置很小(平均约0.5 mm)，缝隙尺寸亦过于精细，加工误差对天线性能影响较大。本课题分析了影响天线性能的关键尺寸，对其进行了高容差设计。通过单元导纳特性三维仿真和曲线拟合的方法，采用全高波导进行缝隙单元设计，使缝隙排布在波导中心线两侧的尺寸加大，并在三维仿真设计中把在经典设计方法中忽略的缝隙宽度和壁厚考虑进去，把缝隙宽度拓宽为1 mm，缝隙壁厚设计为1 mm。

    关键尺寸的高容差设计极大地降低了天线相对加工精度的灵敏度，提升了天线的口径效率，解决了工程可实现性难的问题。

    如图1所示，根据Elliott三公式，波导高度增加使辐射缝隙相对波导中心线的偏置增加；经典设计缝隙宽度w约为l/20，在毫米波频段太小，难以保证缝隙的精度，且加工误差对天线性能影响较大；增加波导壁厚t以减小加工和焊接变形。

3   整体阵列拓扑结构优化及低剖面设计

    经典方法采用逐层耦合的方式实现大型阵列的馈电，对于上千个缝隙的大型阵列，需要约5层实现整体阵列。如此多的层数其加工和焊接精度均难以保证。需要对整体阵列拓扑结构进行优化及低剖面设计。

    本课题通过合理的子阵分区优化、馈电位置交错分离和正反面馈电相结合的方式，优化了整体阵列的布局，把本来由5层波导实现的阵列融合为3层波导，整体阵列高度降低约40%。优化设计后的阵列加工和焊接难度大大降低，解决了大型毫米波波导缝隙阵的工程实现难的问题。且这种方法可进行推广，可把波导缝隙阵的层数由N层减少为N/2层(总层数N为偶数)或者(N+1)/2层(总层数N为奇数)。使用5波导层数难以实现精确焊接，需要对整体阵列拓扑结构优化及低剖面设计，以减少阵列层数。

     如图2所示，中间每四根辐射波导通过一根耦合波导馈电，形成一个子阵，各个子阵的馈电位置容易重叠，从而形成干涉。通过交错分离馈电并适当补偿相位(通过倾斜缝隙反向补偿180°相位)，避开重叠位置，并把第4层波导融合到第2层，第5层波导融合到第3层，同样尽量避开互相干涉的位置并补偿其相位，同时，需要波导正反面馈电相结合，以解决逐级馈电的问题。这样整体阵列就由5层减少为3层。

     通过调研国内几家毫米波波导缝隙阵设计和加工单位，他们在实现X和Ku波段波导缝隙阵时，相同的带宽和口径比条件下，其层数一般都达到5层，他们焊接毫米波频段天线时，需要以三套来保证一套成功，只有约33.3%的成功率，而本项目由于减少了波导层数，加工的两套产品性能指标均超过任务书指标要求，且一致性非常好。

4　样机仿真与实测结果

    通过上述三个创新性的设计方法，课题组进行实验室原理样机制作，样机照片如图3所示，实测驻波方向图如图4所示，实测方向图与仿真结果对比如图5至图8所示。天线实测和波束增益36.3 dB，副瓣电平22 dB；实现了毫米波大型阵列的高效率设计(效率65.3%)，差波束增益33 dB，差零深30 dB以上，天线驻波系数在4%的带宽内均小于2。