1 矩形开口波导天线增益随波导结构参数变化数值模拟
利用数值模拟软件模拟了X波段长直开口波导BJ100,工作频率9.37 GHz,波导壁厚1.27 mm,模型中不加法兰,这和文献[1-3]中情况一致。开口波导增益方向图如图1所示。从图1可以看到:方向图主瓣较宽,中心为增益极大值。这和文献[1]的结论一致。
图2为X波段长直开口波导天线增益随频率的变化曲线。由图2可见:增益随频率的变化单调上升。这也和文献[1]给出的结论一致。因此在不考虑法兰时,开口波导增益随频率变化是单调上升的。
考虑法兰的影响,把法兰加入模型,如图3所示,微波从port1馈入,从另一端口辐射出去。为了准确研究开口波导增益随波导长度L的变化规律,每隔2 mm(λ/16,λ为微波自由空间波长)取点进行数值模拟。波导长度从3λ增加到5λ时,矩形开口波导增益随波导长度变化曲线如图4所示。从图4可以看到:增益随着波导长度的变化呈周期性变化。周期大约为16 mm(图中1点(102 mm,4.17 dB) (104 mm/32=3.25λ), 2点(110mm,8.96 dB) (112 mm/32=3.5λ), 3点(118 mm,4.32 dB) (120 mm/32=3.75λ), 4点(126 mm,9.05 dB)(128 mm/32=4λ))。可以看到增益是从4 dB左右到8 dB左右振荡的。在X波段频率9.37 GHz时,对应的自由空间波长约为32 mm,所以增益的振荡周期近似为λ/2。
波导长度为15(4.75λ)和11 cm(3.5λ)时,开口波导方向图如图5所示。可以看到:波导长度为15 cm(4·75λ)时,方向图中心有一个凹点,这是因为从波导宽壁流到法兰上的电流辐射形成的场,恰好与波导口面上的场相位相反,因此增益出现极小值;波导长度为11 cm(3.5λ)时方向图中心有一个凸点,这是因为从波导宽壁流到法兰上的电流辐射形成的场,恰好与波导口面上的场相位相同,因此增益出现极大值。数值模拟表明,当波导较短(小于60 cm时),增益随着波导长度以半波长为周期振荡。当波导的长度足够长,增益趋于一个定值。
当波导长度为11和15 cm时,开口波导的增益随工作频率的变化情况如图6所示。由图6可知:当波导的长度较短时,开口波导增益随频率振荡很严重。这是因为不同频率对应的自由空间波长不同,因而一定长度的开口波导对于某些频率可能处在λ/4的偶数倍,某些频率处在λ/4的奇数倍,因此出现了增益随着频率发生剧烈振荡的情况。增益随频率发生振荡的现象对于开口波导进行辐射场功率测量不利。数值模拟和测量结果发现,可以通过在波导宽边上下表面对称地贴覆吸波材料来消除法兰对辐射场的影响。
在波导外壁宽边上下表面对称贴覆厚度约为2 mm的吸波材料。数值模拟频率仍为9.37 GHz,波导长度为15 cm(4.75λ)。吸波材料是非色散有损媒质,其介电率和磁导率都是复数,可表示为ε=ε′-jε″,μ=μ′-jμ″,这里ε′,μ′和ε″,μ″分别是复数介电率和磁导率的实部和虚部。
数值模拟用的吸波材料参数为:ε′=16.922 49,ε″=2.028 043,μ′=1.575 604,μ″=1.524 937, tanδ=0·119 843 061, tanθ=0.967 842 808(δ,θ分别为电介质损耗角和磁介质损耗角)。
图7为贴上吸波材料后开口波导的方向图。从图7可以看到:当贴上吸波材料后,波导长度为15 cm(4·75λ)时,中心处增益凹坑消失;矩形波导方向图主瓣变宽,中心为最大值点。可以认为这是由于从波导内壁流向外壁的电流被吸波材料损耗所致。图8为在开口波导宽壁上下表面对称贴上吸波材料后,开口波导的增益随频率的变化曲线。由图8可知:振荡的现象消失了。这说明贴上吸波材料有助于改善开口波导增益,消除了增益随频率的剧烈振荡现象,符合应用要求。
数值模拟表明,C波段与X波段规律一致:不贴吸波材料时,增益随频率的变化出现严重的振荡现象,而在波导外壁宽边上下表面对称贴上吸波材料后,增益随着频率振荡的现象基本消除了。对于S及以下频段波导,由于法兰相对于波长的电长度较小,所以法兰对辐射场的影响小,可以不用贴吸波材料就直接使用。
2 结 论
本文数值模拟了法兰和波导长度对矩形开口波导增益的影响。结果显示:(1)开口波导在没有法兰的情况下,增益随着频率的增加单调上升,没有振荡现象;(2) X,C波段开口波导在波导长度小于60 cm时,由于受法兰影响,开口波导增益随着波导长度以半波长为周期变化振荡严重。而在S波段波导长度小于2倍波长时也有振荡现象。但是当波导的长度大于2倍波长后,增益趋于定值;(3)在X,C波段波导宽边上下表面对称贴覆吸波材料,增益随着频率发生振荡现象基本消除。这样的开口波导可以方便用于高功率微波辐射场的测量。使用S波段或工作更低频段的开口波导天线,由于法兰的影响较弱,只要波导的长度大于2倍波长,则可以直接使用。
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作者简介:张立刚(1981—),男,硕士研究生,现从事高功率微波测量工作; yihui2119@163.com。
