专利名称：精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法
技术领域：
本发明是关于提取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法。
背景技术：
平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的提取可以为设计高性能的平板裂缝阵天线提供准确的基础数据。此基础数据的准确性是设计高性能平板裂缝天线的关键所在。Elliott提出的关于平板裂缝天线的三个设计方程[1~3]是提取有源导纳来设计平板裂缝阵天线的常用方法，但是该方法建立在解方程组的基础上，随着缝隙数目的增加，方程的数目成2倍缝隙数目的增加，且方程中含有二重积分，使得计算的速度较慢，尤其在大型缝隙阵中计算量很大，计算所用的时间也是巨大的。随着计算机的发展，电磁仿真软件如HFSS等可以通过建立模型提取阵列中缝隙的有源导纳，但是这种方法只能提取波导端口的导纳值，进而获得波导上缝隙的有源导纳平均值，实际上同一波导上不同位置处的缝隙，由于所受耦合作用不同其有源导纳是不同的，因此这种方法提取的有源导纳是近似值。另外，采用矩量法可提取行波阵波导裂缝阵中缝隙的有源导纳[4]，但对于驻波阵中缝隙的有源导纳没有提及，并且矩量法计算时，缝隙的端头为方头，而实际加工出来的缝隙是圆头的，因此需要确定二者之间的等效关系，现有的文献资料中尚没有精确确定此等效关系的报道。
本发明是对现有技术的进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种导纳提取效率高，计算速度快，能够精确获取天线阵列中每个缝隙有源导纳的方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于包括如下步骤 (1)用矩量法分析计算平板裂缝阵辐射缝的场分布，根据磁场的连续性，在缝隙的上下表面建立场方程，选用Rooftop基函数[5]和脉冲校验函数[6]，将积分方程化成矩阵形式，求解方程可以得到缝隙处的场的分布情况； (2)通过缝隙处前向和后向散射场获得缝隙的有源导纳； (3)采用HFSS软件分别对方头和圆头缝隙进行仿真分析，得到二者之间的等效关系，由下述关系式求得方头和圆头缝隙之间长度修正因子c 其中，Ly为半圆头缝隙的长度，Lf为方头缝隙的长度，w为缝隙的宽度； (4)用上述求得的修正因子c修正矩量法计算的有源导纳对应的圆头缝隙长度。
本发明相比于现有技术的有益效果是 本发明基于HFSS仿真和矩量法分析有源导纳，利用矩量法提取平板裂缝阵辐射缝的有源导纳，从场的分析出发，考虑到波导和缝隙的各个结构尺寸的影响以及短路面的作用，更重要的是考虑到缝隙内外的互耦作用，因此其计算结果是精确的。值得说明的是驻波阵由于短路面的存在，使得各缝隙前向和后向散射场的分析复杂度比行波阵大大增加，这也是本文提出驻波阵有源导纳提取公式的难点所在。另外，矩量法能精确的获取阵列中每个缝隙的有源导纳，这比HFSS仿真获得每根波导上的有源导纳平均值更精确，在设计高性能的平板裂缝阵天线时更优越。由于矩量法只能提取方头缝隙的导纳值，本发明通过HFSS仿真得到方头缝隙和圆头缝隙之间的等效关系，并采用矩量法精确提取平板裂缝阵中各方头缝隙的有源导纳，结合等效关系获得圆头缝隙的有源导纳。采用HFSS仿真，得到的方头和圆头缝隙的修正因子的创新举措正好弥补了矩量法的这点不足。因此，本发明基于HFSS仿真和矩量法分析的有源导纳方法，是一种精度较高的方法。并且矩量法的计算过程可以通过计算机编程实现，大大提高了导纳提取的效率，为高性能平板裂缝阵天线的设计和分析提供了精确有效的手段，为平板裂缝阵天线的设计提供了精确适用的导纳数据。
图1rooftop基函数在缝隙处建立的几何示意图 图2是平板裂缝阵天线某根波导上所有缝隙的等效电路
具体实施例方式 在图2所示的平板裂缝阵天线阵列的某根波导上缝隙的等效电路图中，驻波阵取yl＝0。根据(1)中得到的缝隙处的场分布情况可求得第m个缝隙处的前向散射系数Γm和后向散射系数Tm，二者皆包含了由短路面等效的镜像缝隙的作用。根据传输线理论，第m个缝隙的缝电压为 而第m个缝隙的导纳值与传输线参考面处的反射系数和该缝隙的缝电压相关，关系式为 ym＝-2Γm0/Vm(2) 其中值得注意的是由于考虑了驻波阵中短路面的镜像作用，缝隙自身的后向散射系数为Γm0＝Γm/2，Γm0不包括其镜像缝隙的后向散射场的作用。
用矩量法分析计算平板裂缝阵辐射缝的场分布。在平板裂缝阵，即驻波阵波导裂缝阵中，某缝隙上表面的场，主要包括自身的辐射场和阵列中其他缝隙的辐射场在该缝隙处的叠加，而下表面的场包括，入射场、短路面的反射场、同一波导中其它缝隙及其镜像缝隙的散射场在该缝隙处的叠加。根据磁场的连续性，在缝隙的上下表面建立场方程，选用Rooftop基函数(4)式和脉冲校验函数(5)式，将积分方程化成矩阵形式，求解方程可以得到缝隙处的场的分布情况。
通过缝隙处前向和后向散射场获得缝隙的有源导纳。
编写程序完成上述有源导纳的提取。
用HFSS仿真确定方头缝隙和圆头缝隙的等效因子。由于矩量法在计算平板裂缝阵辐射缝有源导纳时只能计算方头缝隙，这与实际加工的圆头缝隙不符。采用HFSS软件分别对方头和圆头缝隙进行仿真分析得到二者之间的等效关系，由此关系可得方头和圆头缝隙之间长度修正因子c为 其中，Ly为半圆头缝隙的长度，Lf为方头缝隙的缝长，w为缝隙的宽度。
采用上面所得的修正因子C修正矩量法计算的缝隙长度。由此知道所提取的有源导纳对应的圆头缝隙的缝长。
根据上面的方法，以毫米波频段某频率为中心频率，辐射波导选用非标准波导，缝宽都取0.8mm。首先采用矩量法提取一个5×5小阵中辐射缝的有源导纳，其中得到的谐振缝长是指方头缝隙的长度。
表1偏置为0.45mm时阵中各个缝隙的谐振电导 表2偏置为0.45mm时阵中各个缝隙的谐振长度 由于矩量法计算的是方头缝隙的长度，而实际加工制作的缝隙是圆头的，那么采用步骤4中的方法，用HFSS分别仿真方头和圆头缝隙这两种情况，同样在偏置为0.45mm，缝宽为0.8mm时，谐振电导均为0.21，方头缝隙的谐振长度为4.26mm，圆头缝隙的谐振长度为4.45mm，最终得到方头和圆头缝隙长度的修正因子C为1.1，此时可用该修正因子C来修正矩量法计算出来的谐振长度值。
同样的，可以得到其他偏置(包括0.25mm、0.35mm、0.55mm、0.65mm、0.75mm和0.85mm)的谐振长度和谐振电导，由于篇幅所限，不再一一列举。
在设计大型的平板裂缝阵列天线的时候，根据大阵中缝隙所处的不同位置处进行设计，大阵中间和边缘不同位置处的缝隙的偏置和缝长可以通过5×5小阵中不同位置处的缝隙的导纳数据来设计。
本发明采用的HFSS软件是Ansoft公司制作的HFSS11版本，由电子十所购买。
权利要求
1.一种精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于包括如下步骤
(1)用矩量法分析计算平板裂缝阵辐射缝的场分布，根据磁场的连续性，在缝隙的上下表面建立场方程，选用Rooftop基函数和脉冲校验函数，将积分方程化成矩阵形式，求解方程可以得到缝隙处的场的分布情况；
(2)通过缝隙处前向和后向散射场获得缝隙的有源导纳；
(3)采用HFSS软件分别对方头和圆头缝隙进行仿真分析，得到二者之间的等效关系，由下述关系式求得方头和圆头缝隙之间长度修正因子c
其中，Ly为圆头缝隙的长度，Lf为方头缝隙的长度，w为缝隙的宽度；
(4)用上述求的修正因子c修正矩量法计算的有源导纳对应的圆头缝隙长度。
2.如权利要求1所述的精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于，所述的Rooftop基函数是
其中所用符号见图1所示，h是步长，ζ0，ζ1......ζN为节点，ζj＝-l+jh。
3.如权利要求1所述的精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于，所述的脉冲校验函数是
其中，
4.如权利要求1所述的精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于，所述的场方程是
在第pq个缝隙得上下表面处建立的场方程分别如下
其中，ζipq、ξipq表示第pq个缝隙在局部坐标中的第i个节点的坐标。
分别是第pq个缝隙的上下两个口径面的内侧磁流在缝隙的下表面内侧产生的缝腔磁场；
分别是第pq个缝隙的上下两个口径面的内侧磁流在缝隙的上表面内侧产生的缝腔磁场；
是第p根波导在该波导上的第q个缝隙的下表面外侧产生的激励场；
是第pq个缝隙和它的镜像缝隙的下表面外侧电流在该缝隙下表面产生的散射场；
是第p根波导上的所有缝隙及其镜像缝隙下表面外侧磁流在第pq个缝隙的下表面外侧产生的磁场；
是第pq个缝隙上表面外侧磁流在该缝隙上表面外侧产生的辐射场；
表示除第pq个缝隙外的其他缝隙在该缝隙的上表面外侧产生的磁场。
5.如权利要求1所述的精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于，所述的积分方程是
在第pq个缝隙得上下表面处建立的场积分方程分别如下
其中，Gscat是宽边上开纵缝的无限长波导的格林函数；Gs1是口径面上的磁流在该磁流面上产生磁场的缝隙腔内的格林函数；Gs2是口径面上的磁流在另一个口径面上产生磁场的缝隙腔内的格林函数；Grad是缝隙外的辐射空间的格林函数。
6.如权利要求1所述的精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，其特征在于，所述的矩阵形式是
[Y][x]＝[F]
其中，[Y]是广义的导纳矩阵，[x]是要求解的系数矩阵，[F]是与激励因子相关的矩阵。
全文摘要
本发明提出的一种精确获取平板裂缝阵天线辐射缝有源导纳的方法，利用本方法可显著导纳提取的效率高，精确获取天线阵列每个缝隙有源导纳。本发明通过下述技术方案予以实现(1)用矩量法分析计算平板裂缝阵辐射缝的场分布，根据磁场的连续性，在缝隙的上下表面建立场方程，选用Rooftop基函数和脉冲校验函数，将积分方程化成矩阵形式，求解方程可以得到缝隙处的场的分布情况；(2)通过缝隙处前向和后向散射场获得缝隙的有源导纳；(3)采用HFSS软件分别对方头和圆头缝隙进行仿真分析，得到二者之间的等效关系，由下述关系式求得方头和圆头缝隙之间长度修正因子c；(4)用求的修正因子c修正矩量法计算的有源导纳对应的圆头缝隙长度。
文档编号G01R29/00GK101800360SQ201010100739
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月23日 优先权日2010年1月23日
发明者魏旭, 何海丹, 杨顺平, 李秀梅 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所