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X波段雷达波导阵列天线设计
Yunus Emre Yamac, Ahmet Kizilay
电子信息工程
Yildiz 技术大学
Istanbul, Turkey yeyamac@yildiz.edu.tr, akizilay@yildiz.edu.tr
摘要:本文旨在为X波段雷达应用设计和优化波导槽阵列（WSA）天线。通过在模拟环境中使用Trust Region Framework和Classic Powel算法来优化天线的时隙偏移，时隙长度和宽度，端口位置，而无需分析计算。通过使用这些优化来抑制辐射图的旁瓣。天线用不同的槽号（11和21个时隙天线）进行仿真。虽然使用更多的槽提供较窄的波束，但是辐射模式的后瓣增加了关键水平。抛物线结构被设计为避免后凸角，并且可以通过该修改获得小的增益增量。经修改的21槽WSA天线在9.5 GHz的仿真结果中，实现了最大实现增益为20.8 dB，最大实际增益为4.50度，3d带宽，90度主瓣方向和24.9 dB旁瓣电平。同时天线也被制造和测量。在模拟和测量之间获得了较好的效果。
关键词：阵列天线;纵向槽优化;波导
Ⅰ引言
雷达系统用于广泛的应用，如用于在空对空作战或弹道导弹中检测敌机的军事目的，也用于民用目的，如汽车雷达。 因此，有必要开发廉价紧凑的雷达系统。 这项工作的基础是为雷达应用建立一个无需抛物面反射天线的波导开槽阵列天线，因此雷达系统的总体尺寸和设计和制造阶段的总成本将是 减少[1]。
波导槽阵列（WSA）天线呈现窄而成形的光束，具有体积小，高增益和低旁瓣的优点，而且它使用非常低的损耗传输线。 辐射由波导的宽壁上的槽阵列进行。 波导槽的分析研究由Stevenson和Eliot [2] - [4]制成。 如图所示。 I，波导上的槽长度和偏移通过使用两个设计方程[I] - [4]调整以产生所需图案形状。 WSA基于阵列结构的图案合成，因此应该使用图案合成技术来形成图案束[5] - [7]。 大多数研究是用这个程序[8] - [13]进行的，并且也使用了不同的槽结构[8]，[9]。 他们将图案合成技术与分析方法相结合，通过调整图案成形的插补位移和长度[10] - [13]。
随着计算机技术的发展，设计波导缝隙天线阵列变得更加容易。 CST环境中的信任区域框架和经典Powel算法用于优化天线参数，如时隙偏移，时隙长度，宽度和输入阻抗优化，而无需使用分析计算和模式合成技术。 设计的所有参数均通过优化获得，但设计人员必须了解波导槽阵列天线的基本设计知识，以减少仿真时间。 仿真程序中的算法帮助设计人员缩短模拟工作。
图1 矩形波导中的槽模块
在本文组织中，首先给出了波导的简单计算。然后，给出几个设计阶段以获得期望频率的期望的辐射图。 针对9.5 GHz频率提出了11和21个时隙阵列天线的时隙长度和宽度优化。 更多的槽用于较窄的水平梁。为了避免高回波电平，天线被修改为抛物线结构。 多个WSA放置垂直轴以获得较窄的垂直梁。最后，制造和测量了21个开槽天线。最后，本文结束了本研究的结论。
Ⅱ天线设计与测量
A.基本计算
本节给出了WSA天线程序的基本计算。为了设计用于9.5GHz的WSA天线，WR-90M8511-075铜/青铜标准被用于波导的设计，如图1所示。其中a和b分别为22.86mm和10.16mm。
偶模式和奇数模式的波导设计指南。由天线接收的具有不同相位值的信号将在处理信号方面遇到困难。 因此，对于单模操作，仅使用fc（TE10）和fc（TEol）之间的信号。 9.5GHz的必要截止频率可以从[14]，[15]找到：
(1)
(2)
(mm) (3)
TE10模式的参数由表1中的等式（I），（2）和（3）给出。
表一 TE10 参数
对于矩形波导上的驻波纵向槽阵列，在最后一个槽之后放置短路，并且以Ag / 2间隔隔开间隙，如图3所示。 2.在连续插槽的模块上，TE10电压的大小相同，但符号正在改变。
B.设计阶段
本节给出了具有不同数量时隙的计算机仿真技术（CST）环境中的WSA天线的几个结果。 在模拟阻抗匹配的过程中，优化了第一个插槽与端口的距离以及端口在设计中的位置。 这两个距离不会改变梁的形状。 插槽的长度和偏移位置在仿真环境中得到优化。 本节介绍了双缝，21缝和5 x21缝隙阵的WSA天线设计。 21开槽和5times;21开槽天线正在考虑在垂直和水平面上获得较窄的波束。 此外，天线的结构被修改以避免图案的后裂纹。 通过使用fd，fn，槽长度和宽度可以获得更好的阻抗匹配。插槽的偏移量与辐射模式有关。
（1）双缝隙WSA天线仿真结果：首先，我们开始双缝隙WSA天线，并优化它以在所需频率下实现良好的S11和模式。双槽的WSA天线如图1所示。 该端口选择为500同轴线。天线的参数如表II所示。所提出的具有这些参数的天线的结果也给出。所有设计的方向如图2所示。
图2波导槽阵列天线设计结构视图
图3 双缝隙WSA天线
图 4.a回波损耗
图4.b 双缝隙WSA天线的输入阻抗
表 2 双缝隙WSA天线的参数（MM）
给出了500线的S11结果，并且给出了天线的输入阻抗，并且获得良好的阻抗匹配，如图4所示。21槽天线的辐射图如图5所示。水平波束的实现增益结果为9.5 GHz，主瓣方向为90°，主瓣电平为16.3 dB，3 dB角宽为8.4°，旁瓣电平为-14.3 dB。 对于垂直光束，主瓣方向为0°，主瓣电平为16.3 dB，3 dB角宽为83.3°，旁瓣电平为-14.3 dB。
（2）21槽WSA天线模拟结果：其次，我们增加了天线的时隙号。21槽WSA天线优化用于较窄的垂直波束。所提出的21槽WSA天线如图1所示。该端口也被选为具有50Omega;的同轴线。天线的参数在表III中给出。所提出的具有这些参数的天线的结果也给出。如图7和8。
图5 所提出的双缝隙 WAS auteur的实现增益模式：a）水平面，b）垂直平面
水平光束在9.5 GHz时的实现增益结果，值主瓣方向为90°，主瓣电平为18.9 dB，3 dB 16.1矩形宽度为4.4°，旁瓣电平为-13.7 dB，如图15.8所示。对于垂直光束，主瓣方向为1.0°，主瓣电平为18.9 dB，3 dB角宽为85.7°，侧面为15.7波峰电平为-13.7 dB。
图 6 提出的2l 缝隙 WSA天线
图 7 所提出的2个单缝隙WSA天线的回波损耗
图 8提出的21槽WSA天线的实现增益模式：a）水平面，b）垂直平面
表三 双缝SLA天线参数（mm）
（3）修改后的21时隙WSA天线仿真结果：我们修改21槽WSA天线以抑制后面的干扰。天线如图9所示。所提出的天线的结果如图10所示。抛物线结构不改变S11。主波达方向为90°，主波瓣为20.7dB，3dB角宽度为4.5°，侧翼距离为-24.9dB，如图3所示。对于vertica1光束，主瓣方向为1.0°，主像素为20.7 dB，3dB角宽为61.1°。旁瓣为-21.3 dB。
图 9 修改了两个槽的WSA天线结构
图 10.a 和10.b 改进的21时隙WSA天线结构的水平垂直增益模式
（4）5times;21 WSA天线模拟结果：最后，使用5x21WSA天线实现窄垂直波束。阵列天线如图11所示。主波达方向为90°，主瓣电平为25.6 dB，3 dB角宽为4.6°，旁瓣电平为-26.5 dB，如图13所示。对于垂直梁，主瓣方向为0.0°，主瓣水平为25.6 dB，3 dB角宽度为16.5°，旁瓣电平为-25.6 dB。 通过使用更多的WSA天线可以获得垂直轴上较窄的波束。此外，可以通过使用图案来抑制垂直平面上的图案的旁瓣合成的。 如图12所示，我们也为每个不同的WSA天线使用不同的输入幅度来抑制旁瓣。在这些优化之后获得良好的光束。
图11 5*21缝隙 WSA天线
图 12.a 和10.b 改进的21时隙WSA天线结构的水平垂直增益模式
C.测试结果
对图6中提出的21槽WSA天线进行制造和测量。制造的天线如图13所示。天线的测量结果如图14所示。除了小的频移之外，模拟和测量之间获得了很好的一致。天线在9.44GHz和9.67GHz中心频率的窄带谐振，如图14所示。在9.44 GHz进行测量，以获得更好的辐射图案结果。从图14的测量结果可以看出，最大增益为18.4dB。 而且，3dB角宽度约为5°，主瓣方向为90°。这种小的频移由于制造误差而发生。
图 13 制造的21槽WSA天线
图14 测量21缝隙的WSA天线。 a）回报损失，b）实现收益
Ⅲ 结论
在本文中，我们设计了一种在9.5 GHz中心频率下工作在窄带的波导开槽阵列天线。 该设计通过使用优化技术进行而不需要分析计算。 通过优化，除了后波瓣之外，图案的旁瓣被抑制，然后通过抛物线结构修改天线，这允许减小波束的后瓣电平。另外,垂直布置多个WSA天线，从而可以获得更窄的垂直波束。最后,完成了21槽天线的制造和测量。在模拟和测量之间的结果获得了很好的一致性。
引用文献
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-
S. Zhu and X. Yin, 'Design and simulation antenna array of slots in the narrow wall of a rectangular waveguide,' 2012 international conference on microwave and milimeter wave techno
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