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大型波导阵列天线与HFSS应用技巧

刘元云/研究员

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个人介绍 研究员。2001年6月毕业于华东师范大学电子系无线电物理学专业，同年7月进入上海航天技术研究院第802研究所第三研究室工作，从事雷达天线技术的研究与工程设计工作。

先后参与和负责多个院、集团、国家级重点项目的天线研制工作。多年从事波导缝隙阵、相控阵、复合体制导引头天线的研究工作。2011年获国防科学技术进步奖三等奖，2014年获上海科学进步奖二等奖。获批国防专利10余项，在国内外刊物与会议发表论文20余篇。

联系方式：battonliu@163.com

手机：13917113524

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目录

1. 波导缝隙天线用途

2. 波导缝隙天线基础

3. 波导缝隙天线设计流程及步骤

4. 设计实例及HFSS应用技巧

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波导裂缝阵列天线的应用 单脉冲天线的应用

单脉冲天线是在第二次世界大战后出现，而在50、60年代迅速发展 起来的一种精密跟踪天线。 采用这种天线的单脉冲跟踪雷达（Monopulse Tracking Radar）： 陆用、舰载和机载火炮控制雷达、 导弹跟踪指导雷达、 靶场跟踪和测量雷达 跟踪洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船 射电天线研究的远程跟踪雷达 单脉冲天线最早常用的是卡塞格伦天线（Cassegrain antenna）。

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反射面天线

在雷达中应用最为广泛的天线之一，其馈电简单、设计比较容易、成本较低，能够满足多种常规雷达系统的要求，一般来说天线口径越大，反射面的优点越是突出。

波导裂缝阵列天线的应用

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反射面天线的缺点 反射面天线不可能像阵列天线一样，想设计多少副瓣电平就设计多少。实际上，一定形状和尺寸的反射面天线可以达到的性能和参数已经受到限制。 例如，正置反射面天线很难做到低于-30dB的副瓣电平，要满足低副瓣、超低副瓣的要求，必须采用偏置反射面天线，全部或大部分消除阻挡影响。 偏置反射面天线又存在口面利用率低，增益低，同时设计单脉冲体制的存在困难； 单反射面天线遮挡小，但是馈源前置，馈线长度很长，不利于馈源的安装与维修，对应的有双反射面天线（卡塞格伦形式），馈线缩短了，遮挡又变大了。 反射面天线类型很多，具体的选型要根据技术参数要求以及工程可实现性、成本等综合因素考虑。

波导裂缝阵列天线的应用

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R-27R1/ER1导弹 9B-1101K双平面单脉冲半主动自寻的导引头 R-77导弹 9B-1348E主动雷达自寻的导引头 R-27EA导弹 9B-1103K主动雷达自寻的导引头。

军事应用

波导裂缝阵列天线的应用

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传输线基础

波导缝隙天线基础

a) 波导传输线

主模TE10模：导行系统中截止波长最长的导模称为该导行系统的主模，其它模称为高次模。

𝜆𝜆𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 = 2𝑎𝑎 𝜆𝜆𝑔𝑔 = 𝜆𝜆

𝑐−(𝜆𝜆 𝜆𝜆𝑐𝑐� )2 波导尺寸选择

标准： 𝒂𝒂 = 𝟎𝟎.𝟕𝟕𝝀𝝀 𝒃𝒃= 𝟎𝟎.𝟒𝟒~𝟎𝟎.𝟓𝟓 𝒂𝒂

BJ100的波导工作频率8~12GHz，频带很窄。

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传输线基础

波导缝隙天线基础

b) 波导元件

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传输线基础

波导缝隙天线基础

c) 一端口元件

短路负载：又称短路器，其作用是将电磁波能量全部反射回去； 吸收负载：能全部吸收输入功率的一端口元件。根据匹配负载的吸收功率大小，可分为低功率负载和高功率负载。 失配负载：吸收一部分功率又反射一部分功率的负载，具有某一固定的驻波比。

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 ≤ 1.02 功率容量2w

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传输线基础

波导缝隙天线基础

d) T结与同轴波导连接器

12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 14.50 15.00 15.50 16.00Freq [GHz]

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

VS

WR

(Wav

ePor

t1)

HFSSDesign1XY Plot 2 ANSOFT

Curve InfoVSWR(WavePort1)

Setup1 : Sw eep

13.50 13.75 14.00 14.25 14.50 14.75 15.00Freq [GHz]

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

Y1

SAS IP, Inc. HFSSDesign1XY Plot 3 ANSOFT

Curve InfoVSWR(Sum)

Setup1 : Sw eep1VSWR(WavePort1)

Setup1 : Sw eep1VSWR(WavePort2)

Setup1 : Sw eep1

13.50 13.75 14.00 14.25 14.50 14.75 15.00Freq [GHz]

-6.00

-5.00

-4.00

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

Y1

HFSSDesign1XY Plot 4 ANSOFT

Curve InfodB(S(Sum,WavePort1))

Setup1 : Sw eep1dB(S(Sum,WavePort2))

Setup1 : Sw eep1

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传输线基础

波导缝隙天线基础

e) 魔T

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传输线基础

波导缝隙天线基础

f) 定向耦合器

8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 10.50 11.00 11.50 12.00Freq [GHz]

-50.00

-47.50

-45.00

-42.50

-40.00

-37.50

-35.00

-32.50

-30.00

Y1

HFSSModel1XY Plot 2 ANSOFT

Curve InfodB(S(WavePort1,WavePort3))

Setup1 : Sw eepdB(S(WavePort1,WavePort4))

Setup1 : Sw eep

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二元均匀离散阵

𝑬𝑬 = 𝑬𝑬𝟏𝟏 + 𝑬𝑬𝟐𝟐 = 𝑬𝑬 + 𝑬𝑬𝒆𝒆𝒋𝒋(𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝜽𝜽+𝝋𝝋) = 𝑬𝑬 𝟏𝟏 + 𝒆𝒆𝒋𝒋 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝜽𝜽+𝝋𝝋 = 𝑬𝑬𝑬𝑬(𝜽𝜽,𝝋𝝋)

式中ⅹ𝑬𝑬 𝜽𝜽,𝝋𝝋 = 𝟏𝟏 + 𝒆𝒆𝒋𝒋(𝝋𝝋+𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝜽𝜽)

波导缝隙天线基础

二元均匀离散阵是阵列的基本组成形式。假设两个点源间距为d，其激励电流幅度相等，相位差为𝜑𝜑。根据迭加原理，在阵列平面上远区的任一场点，其辐射场为：

a) 𝝋𝝋 = 𝟎𝟎，即等幅同相激励，当间距𝒌𝒌 = 𝝀𝝀𝟐𝟐时，

阵列轴向出现方向图零点，称为侧射阵； b) 𝝋𝝋 = 𝝅𝝅,即等幅反相激励，当𝒌𝒌 = 𝝀𝝀

𝟐𝟐 ，主波束

在阵列轴向方向，该阵列称为端射阵。

称为均匀激励的二元离散阵的阵因子，即阵方向图函数。

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多元均匀直线阵

𝑬𝑬 𝜽𝜽,𝝋𝝋 = 𝟏𝟏 + 𝒆𝒆𝒋𝒋𝝍𝝍 + 𝒆𝒆𝒋𝒋𝟐𝟐𝝍𝝍 + ⋯+ 𝒆𝒆𝒋𝒋(𝒏𝒏−𝟏𝟏)𝝍𝝍 = �𝒆𝒆𝒋𝒋(𝒏𝒏−𝟏𝟏)𝝍𝝍

𝑵𝑵

𝒏𝒏=𝟏𝟏

波导缝隙天线基础

若有N个相同的点源排列在一个直线上，阵列间距相等，激励电流幅度也相同，相邻单元激励电流相位为𝜑𝜑，该阵列成为N元均匀直线阵列，其阵因子可以表示为(𝜓𝜓 = 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝜃𝜃 + 𝜑𝜑):

a) 若要求阵列为侧射阵，即𝜽𝜽 = 𝝅𝝅𝟐𝟐，这时𝝍𝝍 = 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌 𝝅𝝅

𝟐𝟐+ 𝝋𝝋 = 𝟎𝟎，所以𝝋𝝋 = 𝟎𝟎

，各单元均匀同相激励； b) 阵列为端射阵，即𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 = 𝟎𝟎或𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 = 𝝅𝝅时，𝝍𝝍 = 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 + 𝝋𝝋 = 𝟎𝟎 ，

这时𝝋𝝋 = ±𝒌𝒌𝒌𝒌，其中+、-号分别对应最大辐射方向𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 = 𝝅𝝅和𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 =0; c) 当频率一定，阵元间距也一定，最大辐射方向可由𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎 = 𝑪𝑪𝒌𝒌𝒌𝒌−𝟏𝟏(− 𝝋𝝋

𝒌𝒌𝒌𝒌)

来确定，如果连续改变阵元的相位差𝝋𝝋，最大辐射方向𝜽𝜽𝒎𝒎𝒂𝒂𝒎𝒎也会连续变化，这就是相控阵波束扫描的基本原理。

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缝隙天线

波导缝隙天线基础 a) 缝隙1：波导宽边纵向偏置缝隙（并联缝隙）； b) 缝隙2：波导宽边中心线倾斜缝隙（串联缝隙）

； c) 缝隙4：波导窄边倾斜缝隙（并联缝隙）；

缝隙1、4通常用于波导缝隙阵列天线的辐射单元；缝隙2通常用于天线的功率耦合。 载体头部的雷达天线，为降低天线体积与重量，所使用的窄边尺寸仅为标准尺寸的1/2或1/4，通常使用纵向缝隙。大型裂缝阵则经常使用波导窄边缝隙。

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缝隙天线

波导缝隙天线基础

a) 谐振阵列（驻波阵） 缝隙单元之间间距为

𝝀𝝀𝒈𝒈𝟐𝟐

，且在离终端缝隙中心适当距离处放置短路板：纵向缝隙和波导窄边裂缝的谐振阵，短路版距终端缝隙中心为；串联缝隙的谐振阵

𝝀𝝀𝒈𝒈𝟒𝟒

，短路板距终端缝隙中

心𝝀𝝀𝒈𝒈𝟐𝟐

； b) 非谐振阵列（行波阵） 行波阵的裂缝单元间距大于或者小于

𝝀𝝀𝒈𝒈𝟐𝟐

，在裂缝波导的终端接匹配负载。

谐振阵列天线辐射波瓣最大值位于阵列的法向； 行波阵列天线波瓣最大值方向由𝒌𝒌𝒔𝒔𝒏𝒏𝜽𝜽 = 𝝀𝝀

𝝀𝝀𝒈𝒈− 𝝀𝝀

𝟐𝟐𝒌𝒌决定

。

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窄边缝隙天线

-90.00 -65.00 -40.00 -15.00 10.00 35.00 60.00 85.00Theta [deg]

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

dB(G

ainY

)

Design_Array_18_40dB_VSWR_0.12XY Plot 1 ANSOFT

Curve Info max min lSidelobeY rSidelobeY xdb10Beamw idth(3)dB(GainY)

Setup1 : LastAdaptiveFreq='14.25GHz' Phi='0deg'

31.8614 19.5711 18.5321 18.4564 3.3344

dB(GainY)Setup1 : LastAdaptiveFreq='14.25GHz' Phi='90deg'

31.8614 28.5601 -2.9779 -3.5820 5.7254

波导缝隙天线基础

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波导裂缝阵列天线设计流程 设计流程框图

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实际构成

波导裂缝阵列天线设计流程

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实际构成

四个象限 魔T的正交特性 八端口网络 有一路接负载

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

①波导尺寸和裂缝间距选择 波导窄边一般选用半高波导，特殊场合也可以选用1/4高；

辐射缝隙间距要满足 2gλ

耦合缝隙间距要满足 2gλ

tag

+=2λ

如果选择辐射波导与耦合波导宽边尺寸相等，就构成正方形阵列。

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

②口径分布及子阵划分 工作带宽决定，1989年 Mazen Hamadallah给出一个公式。

标准的单脉冲天线是4个象限，多分区天线是在每个象限中划分小的子阵。子阵的划分直接影响到口径分布。

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

平面裂缝谐振阵列天线的工作带宽是天线性能的重要指标，其工作带宽与缝隙总数直接相关。解决谐振面阵工作带宽的主要途径就是把天线阵面划分成若干个子阵。但是设计天线时，划分子阵数目越多，工作带宽余量偏大，馈电网络复杂，增大天线体积和重量，反之则无法满足带宽要求。

辐射、耦合缝隙总数 工作带宽

12 3

25 1.5

59 0.8

②口径分布及子阵划分

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

②口径分布及子阵划分 计算的理论带宽为实际带宽的2倍以上； 实际的带宽还要考虑方向图、增益等的约束； 一个典型的波导缝隙驻波阵相对带宽在1%~3%，

个别情况可以做到6%； 驻波阵的带宽远低于行波阵。

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

②口径分布及子阵划分

Chebyshev分布 圆口径Taylor分布

Gauss分布

倒置抛物线分布

Tokey分布

Bayliss分布

Elliot分布

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

③裂缝特性参数 波导宽边纵缝的归一化导纳的获取：理论和试验

Watson、Stevenson、Oliner、Hung Yuet Yee等

Stevenson公式 2

)/(1 aDSingg π= 21 )2/()/09.2( gg Cosbag λλπλλ=

阵元之间互耦是无法忽略的，这个公式存在误差。

波导裂缝阵列天线设计流程

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用HFSS获取孤立缝隙的相关参数 第一步：已知口径、频率推算波导尺寸、阵面缝隙的分布数量； 第二步：根据HFSS获取缝隙的基本参数；

波导裂缝阵列天线设计流程

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获取缝隙偏移量与G、Length的关系，注意：只是初始值。

单元的辐射特性进入阵中后会发生变化。

用HFSS获取孤立缝隙的相关参数

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

④阵面设计 阵面裂缝设计：根据阵列的等效传输线模型，采用等效磁流片法建立缝隙间互耦的积分方程。

Elliott三篇文献、三个方程 1978，The Design Small Slot Arrays 1983, An Improved Design Procedure For Small Arrays of Shunt Slots 1986, The Design of Slot Arrays Including Internal Coupling

波导裂缝阵列天线设计流程

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波导缝隙面阵天线基本设计流程

⑤耦合缝隙设计 耦合缝隙采用中心倾斜裂缝，等效为波导传输线上的串联电阻。同样的也可以通过试验或仿真计算获得。

端馈式耦合波导 11

=∑=

N

n

anR

20 ])()2/()([ ssgss CosJaSinIRR θθλθθ +=

abR g /)/(131.0 20 λλλ=

波导裂缝阵列天线设计流程

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本设计基于HFSS版本15.02 天线主要参数要求 天线口径：∅𝟏𝟏𝟏𝟏𝟎𝟎mm 天线增益：≥ 𝟑𝟑𝟑𝟑dB 天线工作带宽：≥ 𝟑𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎MHz 工作频带：Ka波段 副瓣电平：≤ −𝟐𝟐𝟓𝟓dB 端口电压驻波比：Σ、ΔAZ、ΔEL ≤ 𝟏𝟏.𝟔𝟔

HFSS设计具体实例及技巧

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基本参数计算 计算辐射波导与功分波导宽度a，b；阵面辐射波导数量（28*28）；每根波导多少个缝隙，缝隙的基本参量 分区计算

预估612个辐射缝隙，设计带宽300MHz，工程上考虑2~3倍的余量。

分区数目

每个分区缝隙数量

预计带宽

8分区 89.5 721MHz

12分区

59.7 1081MHz

16分区

44.75 1440MHz

20分区

35.8 1803MHz

HFSS设计具体实例及技巧

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HFSS的默认设置

HFSS设计具体实例及技巧

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辐射缝隙与功分缝隙特性分析

HFSS设计具体实例及技巧

参数化扫描，偏移量0.1~2mm,获取每个偏移量对应的阻抗、导纳特性参数。 举例，偏移量0.99mm，谐振长度4.838mm，默认收敛0.02，等效电导0.4912。

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辐射缝隙与功分缝隙特性分析 默认收敛0.01，等效电导0.4994。收敛方

式3下等效电导0.5014。

HFSS设计具体实例及技巧

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辐射缝隙与功分缝隙特性分析 小问题，在不大幅度增加的前提下， 提高收敛要求，获得精度更高的基本参数。

Offset=0.99mm,Length=4.838mm

等效电导G 误差

收敛方式1 0.4912 0.5036

收敛方式2 0.4994 1.6%

收敛方式3 0.5014 2.07%

HFSS设计具体实例及技巧

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整体建模 做完各个模块的基

础设计后，就需要建立天线的整体模型。包括辐射缝隙，馈电缝隙，功分网络，和差器等。强烈建议将大部分参数进行设置为变量。

模型具有通用性； 模型具有可读性； 性能优化微调便捷； 模型查错容易；

HFSS设计具体实例及技巧

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整体模型

第6步收敛

HFSS设计具体实例及技巧

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整体模型

HFSS设计具体实例及技巧

30minVS95min

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Thank you