柱面共形裂缝阵天线的设计与仿真 （一）

1 前言

波导裂缝阵天线容易控制口径面上的幅度分布和相位分布，口径面的利用效率高，体积小，剖面低，重量轻，在雷达和微波通信系统中获得了广泛的应用。但越来越多的要求需要天线与平台载体共形，这就对裂缝阵天线提出了更高的要求。柱面共形阵中需补偿从圆柱面上各辐射源到设计想的平口面的路程差在平口面上引起的非线性相位差，比如直径为30λ的圆柱上，弧宽约10λ的阵面路程差在等效平口面引起的最大相差达260°，通过计算标明，若不补偿，天线主瓣会裂头，因此必须对此进行设计，补偿其相位差。

2 天线设计

A. 指标要求

频率：f0±50MHz;

天线口径：约

天线需与直径f=30λ的圆柱共形

增益：35dB;

波束宽度：

Q面：5.0°;

P面：0.6°;

副瓣电平：

Q面：-13dB，

P面：-18dB;

B. 电性能设计

裂缝阵天线由辐射层，耦合层和馈电系统组成，耦合层和馈电层在同一层，以满足天线的厚度要求，耦合层为圆弧弯波导，通过其公共壁上的耦合孔向扇形波导馈电，图1所示。

图1 柱面共形阵列侧示图

(a) P面电性能设计

每一线源共136个阵元，其口径分布按旁瓣电平-22dB的泰勒分布设计。图2为其口径幅度分布，根据图2给出的激励可以算得其相应的预期方向图如图3所示。波束的半功率宽度为0.59°，副瓣电平为-22dB。

图2 线阵的幅度分布

图3 天线线阵-22dB旁瓣泰勒分布方向图

在本天线阵列中，出于对阵列工作频率带宽的考虑，每一线源被划分成四根等长的短线源，而每部分的短线源与其平行排布的12根其它短线源组成的子阵后，再通过一个一到四的波导功分网络来组合到一块。由于阵面在轴向实行了幅度加权，因此各个子阵的辐射的功率并不都相同。为了满足幅度分布，该功分网络针对子阵的四个出口的功分比分别为0.144、0.356、0.356和0.144(或-8.416dB、-4.486dB、-4.486dB和-8.416dB)。

(b) Q面电性能设计

Q面电性能设计为共形阵列的设计重点，即耦合阵列设计是天线设计重点，通过耦合阵列的设计来补偿空间相位差。馈电波导耦合缝的位置和耦合强度决定了呈圆弧排列的线源在Q面的口径分布。因Q面各线源不在空间同一平面位置所造成的相位差如图4所示。

这样的相位差必需进行补偿，否则该面波束会出现凹陷，如果我们假设面阵在弧向方向的幅度按照均匀方式分布，其方向图如图5所示。

其空间相位差补偿后的方向图如图6所示。由图可见，通过馈电波导进行相位补偿后Q面方向图与原预期方向图基本一致。即方向图主瓣宽度为5.1°，副瓣电平-13.3dB左右，满足对波束宽度和副瓣电平的指标要求。

图4 空间相位差

图5 未补相时的Q面方向图

图6 补相后的Q面方向图