通信工程專業(yè)畢設(shè)模板

1、大連海事大學(xué)裝訂線畢 業(yè) 論 文二一年六月船舶雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)： 通信工程4班姓 名： 潘明鵬 指導(dǎo)教師： 房少軍 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院摘 要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)波導(dǎo)縫隙天線，并利用Ansoft公司研發(fā)的電磁仿真軟件HFSS（high frequency structure simulate）進(jìn)行仿真。電磁仿真軟件HFSS能給出波導(dǎo)縫隙天線的2D、3D模型和輻射方向圖，根據(jù)對(duì)方向圖的要求，采用修正的切比雪夫陣設(shè)計(jì)該天線各縫隙的電流分布，基于同軸線理論，波導(dǎo)縫隙天線理論和梯形漸變器理論設(shè)計(jì)波導(dǎo)裂縫天線，采用HFSS仿真設(shè)計(jì)該天線并進(jìn)行了優(yōu)化及仿真，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本符合。關(guān)鍵詞：波導(dǎo)縫隙

2、天線；HFSS仿真；優(yōu)化 ABSTRACTThis paper presented a Slotted-waveguide Array antenna which is simulated using HFSS.HFSS is an electromagnetic simulate softw -ave which is invented by Ansoft.It can give the model of 2D、3D and directivity of this Slotted-waveguide Array Antenna.First,the Slotted-waveguide Arra

3、y will be designed according to waveg -uide theory,Slotted-waveguide Array Antenna and trapezoidal step-index. Then,Slotted- waveguide Array Antenna is simulated and optimized by using HFSS,the rusult of the simulation tallys with the result of theory calculate.Keywords: Slotted-waveguide array，HFSS

4、; optimization目 錄第1章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.1.1 船舶雷達(dá)裂縫天線的研究現(xiàn)狀21.2 HFSS仿真軟件的介紹3HFSS的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域3與其他軟件的協(xié)同作用4軟件的計(jì)算原理4第2章 基礎(chǔ)知識(shí)42.1陣列天線的基本理論知識(shí)4電磁波的干涉和疊加原理4方向圖乘積定理42.2對(duì)偶原理4 電偶極子與磁偶極子的對(duì)偶4電流元和磁流元的對(duì)偶性4對(duì)偶原理的建立42.3縫隙天線的輻射機(jī)理4理想縫隙天線的輻射機(jī)理4理想波導(dǎo)縫隙的開縫機(jī)理4 波導(dǎo)縫隙的阻抗特性4 2.4波導(dǎo)縫隙天線陣及其特點(diǎn)第3章 視頻圖像預(yù)處理73.1 引言7結(jié)論10參 考 文 獻(xiàn)11致 謝12附錄11基船舶

5、雷達(dá)裂縫天線的設(shè)計(jì)第1章 緒論1.1 課題研究的背景及意義隨著中國(guó)綜合國(guó)力和國(guó)際地位的日益提升，海洋領(lǐng)土逐步受到國(guó)人的重視，中國(guó)對(duì)發(fā)展藍(lán)海海軍的建設(shè)目標(biāo)已經(jīng)提上日程，船舶雷達(dá)天線的研究受到了前所未有的重視，同時(shí)也對(duì)天線系統(tǒng)提出了更高的要求?？p隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡(jiǎn)化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。因此成為了一種重要的天線形式。波導(dǎo)裂縫陣天線的設(shè)計(jì)難度相當(dāng)高。到二十世紀(jì)七、八十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算成為可能，也使得縫隙天線的分析和設(shè)計(jì)上了一個(gè)新臺(tái)

6、階。目前國(guó)際國(guó)內(nèi)上也都在大力開展船舶雷達(dá)的研制工作，但技術(shù)尚未成熟，并考慮到其成本比較高，大角度掃描狀態(tài)下很難實(shí)現(xiàn)低副瓣性能等實(shí)際困難，可以預(yù)見在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，裂縫陣天線仍將是船舶雷達(dá)天線的首選。船舶裂縫天線的研究現(xiàn)狀波導(dǎo)裂縫天線設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)問題多年來一直是微波天線領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。國(guó)外在二十世紀(jì)四十年代末期就開始了波導(dǎo)裂縫天線的研究，經(jīng)過多年的研究，縫隙陣列天線在理論和實(shí)踐上都得到了巨大的發(fā)展。Waston首先對(duì)波導(dǎo)裂縫和波導(dǎo)裂縫天線開展了研究和設(shè)計(jì)的嘗試工作。1948年Stevenson基于波導(dǎo)的等效傳輸線理論及波導(dǎo)格林函數(shù)，取縫隙長(zhǎng)度/2（為工作波長(zhǎng)），導(dǎo)出了各種形式縫隙的歸一

7、化電阻（電導(dǎo)）的計(jì)算公式。隨后Oliner利用變分公式，并且考慮了波導(dǎo)壁厚的影響，計(jì)算出了縫隙的阻抗（導(dǎo)納）特性。在70年代到90年代初期的二十多年里，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大的發(fā)展，計(jì)算機(jī)大大的提高了計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量使很多復(fù)雜的電磁場(chǎng)問題的計(jì)算結(jié)果更為精確，這也使得裂縫天線理論研究和工程技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。T.Vu Khac、HungYuet、Josefsson等對(duì)波導(dǎo)寬邊總想輻射裂縫采用矩量法進(jìn)行分析。具體方法如下，運(yùn)用磁場(chǎng)連接性條件得到了兩個(gè)積分方程在裂縫的上、下口徑上，將厚度為t的裂縫視作一個(gè)腔體，分別建立波導(dǎo)、半自由空間、裂縫墻體的格林函數(shù)，然后用矩量法計(jì)算裂縫口徑上電場(chǎng)眼裂縫長(zhǎng)度方向

8、的數(shù)值。在忽略波導(dǎo)內(nèi)縫隙間互耦和波導(dǎo)壁厚影響的前提下，采用等效磁流片的方法導(dǎo)出解析表達(dá)式，但次表達(dá)式考慮了輻射裂縫間外互耦以及告辭模的影響，并將輻射裂縫的設(shè)計(jì)理論歸結(jié)為三個(gè)方程。Elliot等的卓越貢獻(xiàn)，使得裂縫天線的理論研究和工程設(shè)計(jì)達(dá)到了較為成熟的階段，他建立的理論被當(dāng)今波導(dǎo)裂縫陣列天線設(shè)計(jì)者公認(rèn)為主流設(shè)計(jì)方法。比較而言，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)裂縫陣天線的研究起步較晚，主要從70年代開始開展研究，一大批科技人員在理論分析計(jì)算、計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)研究、加工工藝等方面開展了大量工作，取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但在性能等方面距國(guó)際先進(jìn)水平仍有很大差距。其中對(duì)輻射裂縫單元、交叉波導(dǎo)耦合裂縫單元以及耦合裂縫和輻射裂縫的相互

9、影響的研究較多，呂善偉等采用矩量法對(duì)輻射裂縫、交叉波導(dǎo)耦合裂縫以及耦合裂縫與相鄰輻射裂縫的影響盡享了大量的理論分析計(jì)算；彭中秋對(duì)交叉波導(dǎo)耦合裂縫饋電的輻射縱縫中的場(chǎng)分布進(jìn)行了分析；李俊沛等采用矩量法對(duì)輻射裂縫、短路板對(duì)輻射裂縫的影響、耦合裂縫阻抗特性等都進(jìn)行了理論研究和計(jì)算；任武等使用時(shí)域有限差分發(fā)對(duì)矩形波導(dǎo)上單個(gè)輻射縫隙的特性進(jìn)行了嚴(yán)格分析，并對(duì)諧振狀態(tài)的定義做了討論1.2 HFSS仿真軟件的介紹HFSS廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域。它具備仿真精度高，可靠性強(qiáng)，仿真速度快，穩(wěn)定成熟的特點(diǎn)，其自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使HFSS成為高頻微波設(shè)計(jì)的首選工具盒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。利用H

10、FSS工具可以高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)、電真空器件，可用于研究目標(biāo)特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域HFSS是利用我們所熟悉的Windows圖形用戶界面的一款高性能的全波電磁場(chǎng)（EM）段任意3D無源器件的模擬仿真軟件。HFSS具有以下特點(diǎn)：1. 具有仿真、可視化、立體建模、自動(dòng)控制的功能，使得3D EM問題能快速而準(zhǔn)確地求解。2. Ansoft HFSS使用有限元法（FEM）、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和高性能的圖形界面，能讓你在研究所有三維EM問題時(shí)得心應(yīng)手。3. Ansoft HF

11、SS能用于諸如S參數(shù)、諧振頻率和場(chǎng)等的參數(shù)計(jì)算。4. HFSS是基于四面體網(wǎng)格元的交互式仿真系統(tǒng)。這能解決任意的3D幾何問題，尤其是那些有復(fù)雜曲線和曲面的問題，當(dāng)然在局部會(huì)利用其它技術(shù)。 HFSS與其它軟件的協(xié)同作用為了便于提高設(shè)計(jì)與分析效率，HFSS強(qiáng)化了與CAD工具和其它分析工具之間的配合。比如，在電磁場(chǎng)分析中需要分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)信息，通過讀取由CAD生成的結(jié)構(gòu)信息模型，提高易用性的功能。此外CAD模型有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微小的斷差和坐標(biāo)誤差。HFSS 10新增了一種功能，即使存在這些情況，也能將其分割成最佳的微小網(wǎng)格后，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。另一點(diǎn)就是：HFSS 10與Slwave v3 進(jìn)行協(xié)作分析的示

12、例，能夠看到車身內(nèi)部的印刷電路板產(chǎn)生的不必要輻射活動(dòng)情況。HFSS由于能夠?qū)溈怂鬼f電磁場(chǎng)方程進(jìn)行全波分析，因此目前已經(jīng)應(yīng)用于需要對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析的用途。比如，設(shè)計(jì)設(shè)備外殼、印刷電路板和芯片封裝時(shí)得電磁場(chǎng)分析、EMI分析，SAR（specific Absorption Rate，輻射吸收率）分析，以及天線與接口設(shè)計(jì)等各種應(yīng)用領(lǐng)域。Ansoft HFSS在PC機(jī)（Windows系統(tǒng)）上能夠利用3GB的內(nèi)存空間，這極有效地拓展了HFSS仿真計(jì)算能力。同時(shí)，具備與Ansoft Designer、Nexxim動(dòng)態(tài)連接的特性：通過動(dòng)態(tài)參數(shù)化鏈接，在RF/數(shù)?；旌想娐贩抡嬷袑?shí)現(xiàn)與三維電磁場(chǎng)的協(xié)同仿真。

13、軟件的計(jì)算原理總的來說，HFSS軟件將所有要求解的微波問題等效計(jì)算N端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的S矩陣，具體步驟如下：（1） 將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)絡(luò)。（2） 在每個(gè)端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線所支持的模式。（3） 假設(shè)每次激勵(lì)一個(gè)模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的全部電磁場(chǎng)模型。（4） 由得到的反射量和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣。HFSS求解微波問題的流程圖如圖1-2-1所示。建立模型設(shè)置邊界條件和激勵(lì)由端口激勵(lì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部求解場(chǎng)細(xì)化網(wǎng)格設(shè)置求解頻率是否進(jìn)行自適應(yīng)求解S是否可接受？否在各個(gè)端口處求解端口的場(chǎng)分布創(chuàng)建初始網(wǎng)絡(luò)是求解結(jié)果求解廣義S參數(shù)否是圖1.2HFSS求解流程圖1.3論文的主要內(nèi)容本文重點(diǎn)介紹用HFSS仿真

14、軟件對(duì)寬邊諧振式波導(dǎo)縫隙陣列天線的研究和設(shè)計(jì)。正文部分共分三章，分述如下：第一章是緒論，介紹了雷達(dá)裂縫天線研究的背景、意義及現(xiàn)狀，HFSS的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域、計(jì)算原理和的簡(jiǎn)要介紹。第二章首先從陣列天線的兩個(gè)最基本原理：電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理出發(fā)，使我們對(duì)陣列天線有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，然后從對(duì)偶原理出發(fā)，分析了波導(dǎo)上單個(gè)縫隙的輻射機(jī)理和形式，并分析了由多個(gè)縫隙構(gòu)成的波導(dǎo)裂縫天線陣的特點(diǎn)，給出相關(guān)的計(jì)算公式。第三章設(shè)計(jì)了一種寬邊縱向諧振式駐波波導(dǎo)裂縫天線，并借助Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真。根據(jù)對(duì)方向圖的要求，采用修正的切比雪夫陣設(shè)計(jì)該天線各縫隙的電流分布，（待定

15、） 第2章理論基礎(chǔ)2.1陣列天線的基本理論知識(shí)天線是一種用于發(fā)射和接收電磁能量的設(shè)備。在許多場(chǎng)合，由單個(gè)天線（或稱為單個(gè)輻射器）就可以很好地完成發(fā)射和接收電磁能量的任務(wù)，如常用的各種線天線、面天線、反射面天線等，其本身就可以獨(dú)立工作，但這些天線形式一旦選定，其輻射特性便是相對(duì)固定，如波瓣指向、波束寬度、增益等，這就造成在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如雷達(dá)天線的一般要求較強(qiáng)的方向性、較高的增益、很窄的波束寬度、波束可以實(shí)現(xiàn)電掃描及其他一些特殊指標(biāo)，單個(gè)天線往往不能道道預(yù)定的要求，這時(shí)就需要多個(gè)天線聯(lián)合起來工作，共同實(shí)現(xiàn)一個(gè)預(yù)定的指標(biāo)。這種組合造就了陣列天線。其中，電磁波的干涉與疊加原理、方向圖乘積定理是陣

16、列天線得以構(gòu)成的兩個(gè)重要原理。電磁波的干涉和疊加原理陣列天線能夠形成不同于一般單元天線的輻射特性，尤其是可以形成指向某部分空間的、比單元天線強(qiáng)得多的輻射，最根本的原因就是來自多個(gè)相干輻射單元的輻射電磁波在空間相互干涉并疊加，在某些空間區(qū)域加強(qiáng)，而在另一些空間區(qū)域減弱，從而使得不變的總輻射能量在空間重新分布。波的干涉與疊加原理最初來源于光學(xué)領(lǐng)域。托馬斯·楊仔細(xì)觀察了在兩組水波交疊處發(fā)生的現(xiàn)象：“一組波的波峰與另一組波的波峰相重合，將形成一組波峰更高的波。如果一組波的波峰與另一組波的波谷相重合，那么波峰恰好填滿波谷?！甭暡ǖ寞B加也是如此，聲波的疊加會(huì)產(chǎn)生聲音的加強(qiáng)和減弱、復(fù)合的聲調(diào)和拍頻

17、。在此基礎(chǔ)上，他于1801年在一篇報(bào)告中發(fā)展了惠更斯的光學(xué)理論，提出了著名的“干涉原理”，也稱“波的疊加原理”，并在光學(xué)中首次引入了“干涉”的概念。同時(shí)，他指出了產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件，并首次完成了著名的雙縫干涉試驗(yàn)和其他一些干涉實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出：為了顯示光的干涉，必須先使從同一光源出來的光分成兩束，經(jīng)由不同的路徑，然后重新疊加在一起，即可觀察到干涉現(xiàn)象。著名的干涉實(shí)驗(yàn)如圖2.1所示。xd光束Ld各個(gè)縫隙之間的距離；L縫隙屏與成像屏之間的距離；成像屏上點(diǎn)的位置坐標(biāo)；x成像屏上點(diǎn)的直角位置坐標(biāo) 圖2.1光波的干涉與疊加由于光本身的波動(dòng)性，光波與電磁波本質(zhì)上是相似的，因此可以把這一最初在光學(xué)領(lǐng)域提出的基本

18、原理推廣到電磁波領(lǐng)域。我們知道，天線在空間的輻射是天線上源電流產(chǎn)生的，若空間中存在滿足相干關(guān)系的多個(gè)電流（如一個(gè)電流分出的多個(gè)部分，施加在不同的天線單元上），則多個(gè)電流的輻射電磁場(chǎng)在空間中將發(fā)生疊加，形成干涉現(xiàn)象，造成某些空間區(qū)域場(chǎng)同相疊加，場(chǎng)加強(qiáng)；某些空間區(qū)域場(chǎng)反相疊加，場(chǎng)削弱；在另外一些區(qū)域場(chǎng)的疊加介于同相和反相之間，這樣就形成了空間中的電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱分布。電流分布J在均勻媒質(zhì)中產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)可表示為 （2.1.1）式中，稱為磁矢量位，他滿足下列亥姆霍茲方程： （2.1.2）若電流密度J沿z向線分布為，分布線長(zhǎng)為L(zhǎng)，如圖2.2所示，則在遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)，式（）的解可求得為 （2.1.3）式中，源

19、點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離R表示為 （） zR rO yJx圖2.2連續(xù)線源的輻射如果電流密度J沿xy平面分布為,分布平面面積為S，如圖2.3所示，則在遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)，有 （）x J O R Pry z圖2.3連續(xù)面源的輻射同樣道理，電流如果按照其他方式分布，如沿體分布，沿圓環(huán)分布等，則其輻射場(chǎng)磁矢量位可以相應(yīng)求得，具有和式（2.1.3）及式（2.1.5）同樣的形式。觀察式（2.1.3）和式（2.1.5）可見，線電流和面電流形成的輻射場(chǎng)具有積分的表達(dá)形式，實(shí)際上是無窮多個(gè)部分求和疊加的結(jié)果，這就是干涉與疊加原理在電磁波輻射問題上的體現(xiàn)。2.1.2方向圖乘積定理構(gòu)造陣列天線的另一個(gè)重要理論基礎(chǔ)是方向圖乘積定理。

20、在電磁波干涉與疊加原理基礎(chǔ)上，它進(jìn)一步描述了連續(xù)電流分布離散化并分別激勵(lì)多個(gè)天線單元時(shí)，總輻射電磁場(chǎng)的構(gòu)成規(guī)律。設(shè)陣列天線采用相似元，在不考慮單元間互相影響（耦合）的條件下，可以認(rèn)為單元作為空間坐標(biāo)函數(shù)的歸一化方向圖都是相同的。不妨首先以線陣為例，設(shè)在圖2.2中每一小段的中心位置都放置了一個(gè)單元天線，這些單元天線為相似元，它們的方向圖函數(shù)均為（稱為單元因子，表示單元個(gè)體的輻射特性），重新繪于圖2.5。這時(shí)，每個(gè)單元的位置坐標(biāo)記為。需注意，這時(shí)為了簡(jiǎn)化公式形式起見，去掉了原來上的“”符號(hào)。由于遠(yuǎn)場(chǎng)坐標(biāo)已經(jīng)用表示，而不再是 r .O N-1 z 圖2.5任意N元線陣，因而不會(huì)引起混淆。不失一般性，

21、設(shè)每一小段的電流復(fù)矢量為，可以看做是放置在這一個(gè)小段中心位置的單元天線的激勵(lì)電流。各單元天線都將在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生橫電磁平面波，場(chǎng)強(qiáng)與激勵(lì)電流成正比。依據(jù)積分求和的公式，轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)系，則第n個(gè)單元在遠(yuǎn)場(chǎng)觀察點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)為 （2.1.5）式中，A為單元形式有關(guān)的比例系數(shù)。代人遠(yuǎn)場(chǎng)條件： （2.1.6） （）可得到 （2.1.8）式中，因子表示由于各單元的空間位置不同，使輻射電磁波在觀察角產(chǎn)生的相對(duì)相位。根據(jù)疊加原理，此線陣在觀察點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)等于各單元在觀察點(diǎn)產(chǎn)生場(chǎng)的矢量和： （2.1.9）考慮到電場(chǎng)復(fù)矢量的各坐標(biāo)分量是由的各坐標(biāo)分量決定的，各的矢量和存在哪些坐標(biāo)分量，就會(huì)有哪些坐標(biāo)分量，所以為公式簡(jiǎn)化起

22、見，可以寫為 （2.1.10）上式可以看做是能適用于各坐標(biāo)分量的一般表達(dá)式。由此可得到此線陣作為一副大天線的方向圖因子為 （2.1.11）令 （2.1.12）稱為陣列因子或陣因子，也稱方向圖因子、方向圖函數(shù)、陣列函數(shù)和陣列多項(xiàng)式，它可以看做是由假想的各向同性單元（=1）組成的陣列的方向圖函數(shù)。這樣，有 （2.1.13）若單元因子和陣因子均采用歸一化形式，則上式又可寫為 （2.1.14）可見陣列天線的方向圖因子等于單元因子與陣因子的乘積，這一定理即是方向圖乘積定理。對(duì)于面陣或其他形式的陣列天線，這一定理同樣是使用的。由于單元陣因子只表示構(gòu)成陣列天線每個(gè)單元的輻射特性，僅取決于單元的形式及取向，與

23、陣的組織方式無關(guān)，一次單元因子就是位于坐標(biāo)原點(diǎn)的一個(gè)單元天線的歸一化方向圖函數(shù)，而陣因子僅取決于陣的形狀、單元間距、單元激勵(lì)電流的幅度和相位，與單元的形式和取向無關(guān)，因此陣因子等于與實(shí)際陣具有完全相同的參數(shù)的各向同性帶你源陣的方向圖函數(shù)。也就是說，單元因子和陣因子是相互獨(dú)立的、可分離的，分別決定陣列天線輻射特性的一個(gè)方面。有了這一個(gè)定理之后，研究陣列天線的輻射特性一般僅需研究由陣的組織方式?jīng)Q定的陣列子即可，待單元形式選定后，再把單元因子乘以陣因子，即可得到陣列天線的輻射特性。2.2 對(duì)偶原理2.2.1電偶極子與磁偶極子的對(duì)偶自由空間中電偶極子的中心位置設(shè)為球坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，正、負(fù)電荷之間的間距

24、為，坐標(biāo)分別為和。在電偶極子周圍的r>>l區(qū)域內(nèi)任意一觀察點(diǎn)處，等量異號(hào)的兩個(gè)點(diǎn)電荷和激發(fā)的靜電場(chǎng)可以表示為： （2.2.1）式中是電偶極矩的量值，電偶極矩的方向?yàn)閦軸正方向。小電流環(huán)可以視為磁偶極子。設(shè)自由空間中半徑為的小電流環(huán)上的電流為I，環(huán)面正方向向上沿z軸正方向，電流I的正方向與z成右手螺旋關(guān)系，則在磁偶極子周圍r>>l區(qū)域內(nèi)任何觀察點(diǎn)處，磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量為： （2.2.2）式中是磁偶極矩的量值，磁偶極矩的方向?yàn)閦軸方向。比較式（2.2.1）和式（2.2.2）可以看出，兩式具有對(duì)偶關(guān)系： （2.2.3）2.2.2電流元和磁流元的對(duì)偶性對(duì)于載有高頻電流的電流元來說，

25、它兩端等量異號(hào)的電荷也隨時(shí)間變化而變化，可以看作為一個(gè)高頻的電偶極子21。假設(shè)電流元是由理想導(dǎo)體構(gòu)成的，它的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，表面流過正方向向上的電流量值為，則其輻射場(chǎng)表達(dá)式為： （2.2.4）對(duì)于由多匝導(dǎo)線環(huán)繞而成的螺線管，設(shè)其總長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高頻電流的工作波長(zhǎng)，則螺線管上的電流可看成是處處等幅同相的。可以把螺線管的每一匝線圈等效成小的電流環(huán)，螺線管的正方向即為小電流環(huán)的正方向，電流正方向與螺線管正方向成右手螺旋關(guān)系，這樣，就可以把螺線管看成是等效的磁流元，假設(shè)高頻磁流的方向是沿z軸正方向，則其輻射場(chǎng)為： （2.2.5） 比較式（2.2.4）和式（2.2.5）可以看出，兩式具有下面的對(duì)偶關(guān)

26、系： （2.2.6）式中帶有下標(biāo)“e”的場(chǎng)量代表電流元產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；有下標(biāo)“m”的場(chǎng)量代表磁流元產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量。2.2.3對(duì)偶原理的建立我們就可以把電偶極子（電流和電荷）所產(chǎn)生的場(chǎng)，看成是“電源”所引起的；而磁偶極子（磁流和磁荷）所產(chǎn)生的場(chǎng)，看成是“磁源”所引起的。我們把“電源”引起的場(chǎng)稱為 “電源場(chǎng)”；而把“磁源”引起的場(chǎng)稱為“磁源場(chǎng)”?！半娫磮?chǎng)”的麥克斯韋方程組的形式如下： （2.2.7）“磁源場(chǎng)”的麥克斯韋方程組形式如下： （2.2.8）當(dāng)兩種源同時(shí)存在時(shí)，根據(jù)矢量疊加原理有 （2.2.9）于是麥克斯維方程組就可以變成對(duì)稱的形式： （2.2.10）2

27、.3縫隙天線的輻射機(jī)理2.3.1理想縫隙天線的輻射機(jī)理無限大和無限薄的理想導(dǎo)電平面上的縫隙稱為理想縫隙。所謂理想縫隙天線是指在無限大的可以不計(jì)厚度的理想導(dǎo)體平板上開的縫隙。理想縫隙受到激勵(lì)時(shí)，由于縫很窄，縫隙上只存在與寬邊垂直的切向電場(chǎng)，其振幅在縫隙的兩端下降為零。這一電場(chǎng)分布與具有相同尺寸的導(dǎo)體振子（又稱互補(bǔ)振子）上的磁場(chǎng)分布（即電流分布）完全一樣。根據(jù)電磁場(chǎng)的對(duì)偶原理，理想縫隙所輻射的電磁場(chǎng)與互補(bǔ)振子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有相同的結(jié)構(gòu)，只是振子的電場(chǎng)矢量對(duì)應(yīng)于縫隙的磁場(chǎng)矢量振子的磁場(chǎng)矢量對(duì)應(yīng)縫隙的電場(chǎng)矢量，但是這還不夠，為了能滿足條件，還要求邊界條件也必須是對(duì)偶的。波導(dǎo)縫隙的阻抗特性在波導(dǎo)壁的適當(dāng)

28、位置上開的縫隙也可以有效地輻射和接收無線電波，這種開在波導(dǎo)上的縫隙稱為波導(dǎo)縫隙天線。波導(dǎo)開縫之前是均勻的，可等效為傳輸線。波導(dǎo)上開的縫隙可等效為負(fù)載，開縫的波導(dǎo)便等效為加載傳輸線，根據(jù)開縫的。xa （a） （b）圖2.3 波導(dǎo)寬邊縱縫及其等效電路位置和方向，縫隙或等效為串聯(lián)的負(fù)載或等效為并聯(lián)的負(fù)載寬邊縱向縫隙會(huì)使一部分橫向表面電流不能按原來的方向流動(dòng)而是發(fā)生彎曲，繞過縫隙流動(dòng)，如圖2.3（a）所示。這樣在縫隙的中點(diǎn)兩邊便出現(xiàn)了由橫向表面電流的彎曲引起的附加縱向電流，使得在縫隙中點(diǎn)兩邊的總縱向電流的大小不相等而發(fā)生突變，這與傳輸線并聯(lián)接入阻抗的情況相當(dāng)，所以寬邊縱向縫隙等效為并聯(lián)導(dǎo)納。如圖2.3

29、（b）所示。在縫的長(zhǎng)度適當(dāng)（略短于）時(shí)發(fā)生諧振，電納等于零而變成純電導(dǎo)。其歸一化電導(dǎo)值（與波導(dǎo)特性導(dǎo)納之比）可按下式計(jì)算25： （） 其中，是縫隙偏離寬面中心線的距離，是波導(dǎo)寬邊的尺寸，是波導(dǎo)窄邊的尺寸，是工作波長(zhǎng)，是波導(dǎo)波長(zhǎng)。由式（）可知，寬邊縱向縫隙偏離中心線越遠(yuǎn)，等效電導(dǎo)越大。2.3.3波導(dǎo)縫隙天線的開縫機(jī)理波導(dǎo)縫隙要成為有效的天線必須選擇在適當(dāng)?shù)奈恢煤头较颉２▽?dǎo)上的縫隙是不需要另外的饋線的，它輻射的能量就來自波導(dǎo)內(nèi)的電磁波，在波導(dǎo)內(nèi)傳輸波24時(shí)，窄壁豎縫和寬邊中軸線上的縱縫均不能受到激勵(lì)而向空間輻射，根據(jù)收發(fā)天線的互易原理，它們也就不能從遠(yuǎn)處傳來的無線電波中接收能量。這是因?yàn)檎谪Q縫和

30、寬壁中軸線上的縱縫對(duì)波導(dǎo)內(nèi)原來的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)無明顯影響，而其它形式的縫隙能有效地改變波導(dǎo)壁表面的場(chǎng)分布。當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)傳輸波時(shí)，因切向磁場(chǎng)有橫向和縱向兩個(gè)分量，波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流也存在縱向和橫向兩個(gè)分量。能產(chǎn)生輻射的縫隙都能有效切割表面電流線，而不能產(chǎn)生輻射的縫隙是與表面電流線平行的，不能有效切割表面電流線。表面電流在波導(dǎo)壁上的大小是隨位置而變的。橫向電流在波導(dǎo)寬面中軸線處等于零，往兩邊沿逐漸增至最大，所以切割橫向表面電流的寬壁縱向縫隙在中軸線上是得不到激勵(lì)的，因而這樣的縫隙不能用作天線，而波導(dǎo)測(cè)量線正是利用這個(gè)特點(diǎn)，將縱縫開在寬面中心而使輻射損耗最小。寬面縱縫越靠近邊緣，受到的激勵(lì)越強(qiáng)。同一橫截面上中

31、心線兩邊的橫向表面電流是反相的，因而開在中心線兩邊的縱縫是反相激勵(lì)的。寬面還有縱向表面電流，它在寬面中心線處最大，往邊緣逐漸減小到零。因而寬面還可以開橫向縫隙，橫縫在寬面中心線上受到的激勵(lì)最強(qiáng)，往邊沿逐漸減小。波導(dǎo)的窄邊只有橫向表面電流，所以開在窄邊的豎縫是沒有輻射的。另外沿波導(dǎo)縱軸方向相距半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的兩個(gè)截面上，縱向表面電流和橫向表面電流都是反相的，因而在波導(dǎo)縱軸方向上相距的縫隙是反相的，相距的縫隙是同相的。2.4波導(dǎo)縫隙天線陣及其特點(diǎn)單個(gè)縫隙的方向性比較弱，要求強(qiáng)方向性時(shí)可采用波導(dǎo)縫隙天線陣。在同一根波導(dǎo)上開若干個(gè)縫可構(gòu)成直線陣，用若干個(gè)開縫的波導(dǎo)可構(gòu)成平面陣。波導(dǎo)縫隙陣方向性的分析方法

32、與一般的陣列天線的分析方法基本一致。它的方向性取決于天線元的數(shù)目N，各元的幅度分布和相位分布以及天線元之間的距離。波導(dǎo)縫隙陣的方向性函數(shù)仍為元方向性函數(shù)與陣函數(shù)的乘積26，即 （）陣函數(shù)仍為： （）式中為縫隙激勵(lì)電壓的幅度比，為觀察點(diǎn)所在方向與縫隙陣軸線（也就是波導(dǎo)縱軸）的夾角。波導(dǎo)縫隙陣一般也是采用等間距和等相位差的，這時(shí)，于是 （）令，則 （）對(duì)于等幅陣，則 ()或 （）對(duì)于同相等幅陣，則 （）這是一個(gè)側(cè)射陣，陣軸線的垂直方向即為最大輻射方向，即。波導(dǎo)縫隙陣的輻射能量就來自于波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ǎ恍枰硗獾酿伨€，這在饋電方面是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。另一方面這又決定了各縫的相位差與縫的間距d有密切

33、關(guān)系，二者不再是相互獨(dú)立的了，而各縫的激勵(lì)幅度則與縫在波導(dǎo)上的位置和方向有關(guān)。波導(dǎo)縫隙陣以各縫隙間距是否等于為根據(jù)而分兩類。當(dāng)時(shí)，稱為諧振式縫隙陣；當(dāng)時(shí)，稱為非諧振式縫隙陣。這里所謂的“諧振式”與“非諧振式”區(qū)分的根據(jù)就是縫隙的間距是否為，并不說明縫隙本身是否諧振。縫隙諧振與否是由縫隙的長(zhǎng)度決定的，一般而言半波縫隙諧振長(zhǎng)度略短于，而且縫越寬，較短得越多。諧振式波導(dǎo)縫隙陣由于縫隙間距為，所以相鄰縫隙的激勵(lì)會(huì)產(chǎn)生，為使各縫獲得同相激勵(lì)，應(yīng)當(dāng)采取措施使相鄰縫隙再獲得的附加相移。對(duì)于寬邊縱向縫隙陣而言，由于中軸線兩側(cè)的橫向電流反向，能產(chǎn)生所需的附加相移，所以可以把相鄰縫隙交替地分布在波導(dǎo)寬壁中線兩側(cè)。

34、如圖2.4所示。諧振式縫隙陣是側(cè)射陣，方向性圖主瓣最大值方向指向縫隙面的法線方向。當(dāng)工作頻率改變時(shí)，間距不再等于，不能保持各縫隙同相激勵(lì)，引起主瓣方向改變，并且天線的匹配也將急劇變差。所以這類縫隙陣是窄頻帶的。本文所設(shè)計(jì)的天線就屬于寬邊縱向駐波縫隙天線。a圖2.4波導(dǎo)寬邊縫隙陣的布置2.5本章小結(jié)為了使分析和波導(dǎo)達(dá)到良好的匹配從而降低天線的駐波比，縫隙單元的電導(dǎo)必須滿足下面的條件（縫隙一端為短路板，另一端為饋電端口）：波導(dǎo)縫隙杭波線陣天線的設(shè)計(jì)1. 波導(dǎo)尺寸和陣元間距的確定2. 泰勒線源近似3. 輻射縫隙的點(diǎn)導(dǎo)值的確定4. 縫隙偏移量的確定5. 波導(dǎo)縫隙尺寸的確定6. 縫隙陣模型的仿真及數(shù)據(jù)結(jié)

35、果第3章裂縫陣列天線的設(shè)計(jì)3.1對(duì)于寬邊縱向諧振式駐波陣列，具體設(shè)計(jì)步驟如下：波導(dǎo)縫隙陣具有口面效率高、副瓣電平低等優(yōu)良的性能。這里設(shè)計(jì)了一款寬邊縱向諧振式駐波陣列，由第二章基礎(chǔ)知識(shí)可知，每個(gè)縫隙相距，距離波導(dǎo)寬邊中心有一定偏移。推導(dǎo)波導(dǎo)裂縫的等效電導(dǎo)以史蒂文森（）法較為嚴(yán)格。Stevenson給出了寬邊上縱向并聯(lián)縫隙的電導(dǎo)為 其中，x為待求的偏移量，a為波導(dǎo)內(nèi)壁寬邊長(zhǎng)度，為波導(dǎo)波長(zhǎng)。在具體的設(shè)計(jì)中，可以利用HFSS的優(yōu)化功能來確定縫隙的諧振長(zhǎng)度。首先確定在諧振縫隙設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)變量 ，主要有縫隙偏移波導(dǎo)中心線的距離Offset，縫隙的長(zhǎng)度L，縫隙的寬度W等。一般可根據(jù)實(shí)際的加工確定出縫隙的

36、寬度W，應(yīng)用HFSS的優(yōu)化功能得出縫隙的偏移量Offset和縫隙長(zhǎng)度Legth。如圖3.1所示，在波端口的Y矩陣參數(shù)可以等效于距檢測(cè)端口的1 常用顏色模型顏色模型的用語是在某些標(biāo)準(zhǔn)下用通常可接受的方式簡(jiǎn)化彩色規(guī)范。本質(zhì)上顏色模型是坐標(biāo)系統(tǒng)和子空間的規(guī)范。位于系統(tǒng)中的每種顏色都由單個(gè)點(diǎn)來表示。（1）RGB彩色模型在RGB模型中，每種顏色出現(xiàn)在紅、綠、藍(lán)的原色光譜分量中，這個(gè)模型基于笛卡爾坐標(biāo)系。圖2.1 所示的立方體。圖中R、G、B位于3個(gè)角上。在該模型中，灰度等級(jí)沿著主對(duì)角線從原點(diǎn)的黑色到點(diǎn)（1，1，1）的白色分布。圖2.1 RGB彩色立方體示意圖（2）灰色模型本質(zhì)上顏色模型是坐標(biāo)系統(tǒng)和子空間

37、的規(guī)范。位于系統(tǒng)中的每種顏色都由單個(gè)點(diǎn)來表示。單位在每列的書寫示例如表2.1所示。表2.1 單位在每列的書寫示例基體序號(hào)粉末類型和預(yù)熱溫度（）失效溫度（）Ec計(jì)算值（GPa）SUS304不銹鋼1粗粉 & 10001804.212粗粉 & 800104.383細(xì)粉 & 10003004.954細(xì)粉 & 8001205.08表格的分欄情況示例如表2.2所示。表2.2 分欄情況示例基體粉末類型預(yù)熱溫度（）平均值SUS304不銹鋼粗粉60044.28%80042.37%100039.74%細(xì)粉60027.95%80025.41%100024.77%碳鋼粗粉100035.65%細(xì)粉100022.95%表的通欄情況和全表統(tǒng)一單位的情況如表2.3所示。表2.3 插入表格的通欄