精爆;中国造出第一台谱振雷达F22傻眼了

铁怪泥 收藏 56 30716
导读:本文针对一种新颖的相控天线 阵辐射单元——非对称单脊波导共线缝隙阵,用FD-TD方法对这种三维非均匀结构的特性进行了深入的研究.得出其场分布、波导波长及其作为基本辐射单元的辐射特性,给出了上述特性和波导非对称度之间的关系曲线;所得的结果对宽角扫描的大型平面缝隙相控阵的设计有重要参考价值.   关键词:非对称单脊波导,FD-TD方法,缝隙天线 An alysis of Asymmetric Single Ridge Waveguid with FD-TD Han Yiping,Nie

本文针对一种新颖的相控天线

阵辐射单元——非对称单脊波导共线缝隙阵,用FD-TD方法对这种三维非均匀结构的特性进行了深入的研究.得出其场分布、波导波长及其作为基本辐射单元的辐射特性,给出了上述特性和波导非对称度之间的关系曲线;所得的结果对宽角扫描的大型平面缝隙相控阵的设计有重要参考价值.

关键词:非对称单脊波导,FD-TD方法,缝隙天线


An alysis of Asymmetric Single Ridge Waveguid with FD-TD


Han Yiping,Nie Zaiping

(Dept.of Microwave Engineering,UEST of China,Chengdu 610054)


Abstract: In this paper,a novel phased array radiating element for use in wide-angle scanned plannar slot array is discussed.The important problems in array design-characteristics of asymmetric single ridge waveguide are studied with FD-TD method.Some waveguide properties such as electromagnetic field distribution、travelling wavelength and radiation characteristics are obtained.Furthermore.the relationship between above characteristics and the degree of asymmetric is founded.The results are investigated for the design of wide-angle scanned planar slot phased array.

Key words: Asymmetric single ridge waveguide,FD-TD,Slot antenna


一、引 言

现代雷达要求相控阵天线具有低副瓣和宽角扫描的功能.在宽边纵向缝隙阵中,为确保不出现栅瓣,最大扫描角则将被限制.标准脊波导可以减小线阵间的距离,但仍将出现双列交错缝.近年来出现的非对称单脊波导交替级联的宽边共线阵则可有效地避免上述困难.它具有以下突出的特点.首先,它大大压缩了宽边尺寸,从而可实现宽角扫描;其次,通过交替级联可实现宽边共线缝阵;最后,通过调节单脊波导的非对称可实现缝隙不同强度的激励,从而达到要求的口面分布.

对称的脊波导特性参数的理论计算早在1947年Seymour B.Cohn[1]就有论述.后来J.R.Pyle[2]、Yozo Ustsum[3]等人又在此基础上进行了进一步的实验和理论推导,使对称脊波导特性参数的计算趋于完善.传统的横向谐振法[3]可求得纵向均匀的非对称脊波导的截止频率等波导特性参数.但交替级联的非对称单脊波导的特性研究由于其复杂的三维非均匀性,仍需借助数值方法.特别是要实现口面激励的精确控制,仅靠实验方法是很难作到的.这时,数值模拟就成为重要的设计工具.FD-TD方法在解决复杂边界电磁问题上具有独特优势,本文应用它对非对称单脊波导交替级联结构中的场分布进行了数值模拟,计算了非对称单脊波导的特性参数及其随波导非对称度的变化情况,并给出了有关的图表和曲线.


二、非对称单脊波导的时域分析方法

非对称单脊波导阵列如图1所示,这是一个三维波导不连续性开域问题.采用标准3cm波导经一段渐变波导过渡到脊波导,激励TE10模.本文应用FD-TD分析非对称单脊波导的稳态场分布及缝隙辐射.首先建立三维差分网格[4],如图2所示:




图1 非对称单脊波导阵列




图2 非对称单脊波导的三维数值模型


其次考虑激励源的设置.在此我们采用将计算区域划分为散射场区和总场区的激励连接条件[5],稳态激励函数为


(1)


上式中,W为波导宽边尺寸、sin(πx/W)项代表波导截面上Ey分量的空间分布,sin(2πfmt)代表时间分布,fm为工作频率,t=0时激励开始.这是传统的标准激励函数,不能很快的在波导中建立稳态分布,如图3(a)所示.为使场分布较快达到稳定,采用汉明函数对激励函数进行加权[5],即在标准的单频激励函数中加入汉明窗函数.


(2)


其中,T为时间窗的大小,由图3(b)可以看出汉明加权大大缩短了达到稳态的迭代时间,其代价仅是增加了上升时间.




图3 稳态激励的建立


最后是吸收边界条件的处理.为了用有限的计算空间模拟无限长波导及无限的辐射空间,必须设置吸收边界条件.这里采用效果良好的廖氏三阶吸收边界条件[7].其差分格式为:


(3)


式(3)中二项式系数CNj=N!/[j!(N-j)!],j为具有2j+1个元素的行距阵


j=[Tj,1,Tj,2,…,Tj,2j+1] (4)


它由递推公式:


(5)


确定,1的三个分量为:


T1,1=(2-S)(1-S)/2,T1,2

=S(2-S),T1,3=S(S-1)/2 (6)


其中S=αcΔt/Δx,j的转置为:


Tj=[Ψ1,j,Ψ2,j,…,Ψ2j+1,j] (7)


式(7)中,α取为1


ψi,j=ψ(tj,xi)=ψ[t-(j-1)Δt,x-(i-1)Δx] (8)


在得出廖氏吸收边界条件的具体形式后,将其与其他常用的吸收边界条件对比(如图4所示)可以看出廖氏吸收边界较Mur[6]一阶、二阶吸收边界条件在更宽的入射角范围之内表现比较低的反射系数.在此未列出Mur三阶吸收边界条件是因为它较之廖氏三阶吸收边界在实现上要困难的多.从上面的推导可以看出,廖氏吸收边界仅需边界一侧的节点数据作N次矩阵相乘后即可获得N阶廖氏吸收边界条件.




图4 吸收边界条件与入射角的关系


三、数值计算结果与讨论

1.终端短路对称单脊波导特性分析

为验证本文的FD-TD分析程序,首先计算终端短路的非对称单脊波导内的场分布.在此例中,各参数如下:a=14.255mm,L1=L2=4.064mm,s=5.69mm,d=3.048mm(如图6(a)所示);TE10模工作状态下x—z截面上的场分布计算结果如图5(a)所示.为清楚起见,我们在宽边上任取一固定点得Ey随波导纵向的变化情况如图5(b)所示:




图5 对称单脊波导X-Z截面上的场分布




图6 封闭的非对称单脊波导横向场分布


单脊波导的波导波长为:


λ2g=λ2cλ20/(λ2c-λ20) (9)


由相关理论[1~3]得λg≈86.2mm,利用FD-TD计算图5(b)中λg≈86mm两者误差小于3%表明了数值分析的可靠性.

2.终端短路非对称单脊波导特性分析

现在计算非对称单脊波导的特性参数及其随波导非对称度的变化情况.本例中各项尺寸分别为a=14.225mm,s=5.69mm;d=3.048mm;L2=9.144;L1可变(如图6(a)所示).为了对非对称单脊波导内的场分布有一形象的了解,我们给出z向均匀的非对称单脊波导内x—y截面上的电场Ey分布如图6(b)所示.

图中看出非对称单脊波导的Ey场分布集中在脊的突起处,与对称脊波导不同的是脊上并非均匀场,电中心与几何中心不重合,两者间的距离随非对称度的增加而增加.

计算所得的非对称度与波导波长的关系对几何中心线处场幅Ey的影响,变化曲线分别如图7、8所示.




图7 波导波长(m)与 图8 几何中心线处的场幅

非对称度的关系 与非对称度的关系


可以看出,非对称单脊波导的波导波长和几何中心线处的场幅随非对称度的增加而增大,在交替级连的非对称脊波导阵天线中正是通过调节各波导段的非对称度以获得同相激励和一定的激励强度口面分布(如泰勒分布).因此,上述关系曲线对工程设计有一定参考价值.

3.单个开缝的非对称单脊波导辐射特性分布

现在分析中心开缝的非对称单脊波导辐射特性,其缝隙尺寸为Lz=13.016mm,由于是开域问题,时域有限差分的网格必须包含缝隙以外的自由空间,在计算波导内稳态的电磁场后求得缝隙上的切向电场Ex、Ez的幅度和相位,并由此算出作为远区辐射场的等效磁流源Jm=-n×Et,其中Et为切向场,然后利用近场到远场变换技术[8]求远区辐射场.

图9为E面方向图;图10为H面方向图,曲线a对应于非谱振区缝隙天线,曲线b则对应谐振式缝隙天线情形.




图9 E面方向图 图10 H面方向图


由于缝隙X方向宽度窄,故E面方向图的主瓣较宽,而缝隙在Z方向的长度较长,导致H面方向图的主瓣较窄;非谐振式缝隙天线的H面方向图偏离侧射方向是由于激励缝隙的波为行波,波束方向是波传播常数的函数且指向波传播的方向,当频率变化时波束方向将发生改变;谐振式缝隙天线在H面方向图为侧射方向,缝中的电场同相.交替级联非对称脊波导缝隙天线阵的时域有限差分计算结果在另文叙述.

以上分析得出:利用FD-TD方法分析计算波导非均匀性问题及天线辐射问题是可行、有效的.本文开发的通用脊波导阵列分析程序可求得波导波长、远区方向图及波导各参数(如非对称度、短路面的位置、填充价质等)对场及辐射特性的影响.只要配置足够的计算机内存便可方便地计算交替排列的波导共线阵内的场结构及阵列辐射特性,从而对非对称脊波导阵列的设计和制造提供有力的理论依据和清晰的物理图像.


韩一平 1997年获电子科技大学,电磁场微波技术专业硕士学位,现为上海交通大学光纤研究所博士研究生.主要研究领域为:电磁场的数值分析方法,天线设计,光纤通信理论和技术.


0
回复主贴
聚焦 国际 历史 社会 军事

猜你感兴趣

更多 >>
56条评论
点击加载更多

发表评论

更多精彩内容

热门话题

更多
广告 国产军事战争模拟 新增南极洲地图 核武参战
发帖 向上 向下
广告 关闭