柱面共形裂缝阵天线的设计与仿真 （二）

相位补偿的方案设计

在柱面共形阵的设计中，文献[4]给出了一种相位补偿的设计方法，其耦合波导采用行波阵，利用缝在宽波导内的上下偏置引起π相移，偏置的大小以及缝的倾角同时控制相移和幅度。在设计时必须适当选取辐射缝所处位置到假想平口面的相位与耦合波导中每个辐射波导的相位，使其剩余相位差较小的情况下，用斜缝的位置来补偿这一相位差，设计比较复杂繁琐，并且仿真验证时发现，这种补偿方式对辐射波导的两端口所引起的相位并不一致。

该耦合波导采用宽边开斜缝驻波阵，斜缝夹角相等，满足Q面等幅分布，相邻夹角正负反相，间距

，满足同相分布，中间馈电给辐射波导。辐射波导上开纵向缝隙，采用驻波阵，通过纵向缝隙离耦合隙缝的距离来控制所需相位，P面幅度分布通过在辐射波导靠近隙缝的地方加感性膜片来实现。

通过控制辐射隙缝到耦合隙缝的距离，就可以达到控制辐射隙缝的相位，所需相位与距离之间的关系满足(7)式。d为所需间距，所需相位与辐射波导中波导波长的关系式为

，为了验证理论的正确性，通过建如图7所示模型进行仿真，每个辐射隙缝相对耦合隙缝的间距为

，n取±1，±2，±3，对d进行参数化扫描，在馈电缝左右各取一个缝看近场相位，即可看出d与相位的关系，考虑一般性均取中间缝。仿真结果见图8所示。

图7 建模

图8 相位与间距之间的关系

仿真结果与理论计算结果一致，进而验证了这种馈相方案的正确性。

3 大阵仿真

A. CST微波工作室®的特点

本柱面裂缝阵的天线口径达到

，加之其具有共形结构，且柱面缝隙、感性膜片等部分非常精细，这使得对其进行全波仿真分析变得非常复杂。

3D电磁场仿真软件CST微波工作室®采用有限积分算法，此算法能快速处理时域宽带和电大尺寸问题。有限积分算法中使用了理想边界拟合®(PBA)技术后，与经典的FDTD算法只限于阶梯网格近似(Staircase Mesh)相比，CST微波工作室®不仅保持了结构化直角坐标系网格的所有优点，并且可以对曲线结构进行精确建模，实现了精度与速度的双重保证。CST微波工作室®拥有业内最佳的三维建模界面，可以迅速准确的建立和修改三维几何模型，其时域求解器可在一次激励仿真下就完成全频段参数特性的计算，因此非常适合本问题的建模与仿真。[!--empirenews.page--]

B. 建模

利用模型的对称性，建模时只需建立一半结构，即可利用对称性完成仿真任务。

该模型由12根辐射波导和两根馈电波导组成。辐射波导之间都有扼流槽，每根辐射波导上都有68个左右的辐射缝隙。天线阵被分成I、II两个子阵，两个馈电波导分别位于两个子阵中。每根馈电波导上都有对应于辐射波导的12个馈电缝隙，金属膜片与馈电缝隙相对应。

辐射缝隙不仅数量多，而且每一根辐射波导上的缝隙并不相同，无法直接使用对称性建模。如果单独建模每一个缝隙，无疑工作量是巨大的。这里采用一种基于CST VBA宏命令的半自动建模方法来简化这一繁琐的过程。

最后仿真用模型如图9所示，I子阵的馈电波导端口设置为端口1，II子阵馈电波导端口设置为端口2。端口1和端口2的幅度比为0.637：1。

C. 仿真结果

使用CST微波工作室的时域求解器，整个裂缝阵天线仿真的总网格数达到142,156,080，精细分辨了裂缝阵和馈电波导金属膜片等微小结构。图10、图11分别给出了中心频率f0下，天线P面与Q面方向图。

图9 波导端口设置

图10 P面增益方向图

图11 Q面增益方向图

可以看出，天线增益达到了38.4dB，P面副瓣电平：-22.1dB，波束宽度为0.6°;Q面副瓣电平-13.3dB，波束宽度为5.6°。仿真结果和理论设计取得了较好的一致。

4 结论

该天线采用了一种新的相位控制的技术，补偿了由于柱面缝隙阵射线路程长度不等所引起的相位差，实现了Q面共形设计，通过CST商业仿真软件仿真验证了方案的正确性，为共形阵列天线的设计又提供了一种新的方案选择。仿真结果表明，天线达到了所需的指标要求，其主要技术指标有：P面半功率波束宽度：0.6°，P面副瓣电平：-22dB，Q面半功率波束宽度：5°～6°，Q面副瓣电平：-12dB左右，增益大于37.7dB，与理论设计非常吻合。