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波导缝隙天线具有增益高、体积小、重量轻、结构紧凑、低副瓣等优点而被广泛应用于雷达和通讯领域。星载波导缝隙阵列天线独特的应用环境,对电大尺寸波导缝隙阵研究提出较大挑战,尤其是高频电大尺寸、宽频带馈电、热变形分析和加工测试等是目前需要解决的难题。
本文结合具体型号要求,针对星载波导缝隙阵列天线研制中的上述关键问题开展了深入研究并取得突破。成功实现了电大尺寸单体平板天线的宽频带馈电,并针对目前国际上分析星载天线热变形对辐射特性影响工作中的难点,提出了一种分析冷热真空下天线辐射特性的方法。同时,本文还研究了天线的加工制造及容差分析问题,并对多副天线实验件完成了近场测试和近场诊断的研究。
在研究工作中,首先在传统经典计算理论和现代电磁仿真软件的基础之上,系统分析了谐振式宽边纵缝波导缝隙阵列天线的特性和设计方法。根据星载Ku波段波导缝隙阵列天线的电性能指标要求,确定天线的口径场分布;采用全波分析软件HFSS获取了半高波导中宽边纵向辐射缝隙和中心倾斜耦合缝隙的特性;对天线整体进行了分层设计,使其结构满足工作空间的要求。针对天线的宽频带要求提出了天线阵分区馈电、波导中心馈电、加载元件等综合解决方案,大幅度提高了天线的工作频带;考虑到阵元间的互耦影响,采用Elliott提出的设计方法用Fortran编程综合设计了天线各单元参数,并用HFSS优化了天线阵的电性能。作为实验件研究,初期加工了多副8*10型波导缝隙阵列天线,天线加工采用真空钎焊加工,并采用单片辐射板成型。用平面近场测试系统完成了天线的测试及近场诊断工作,天线的驻波带宽、副瓣电平、主瓣宽度等均满足设计指标。针对天线热变形对电性能影响的问题,提出了一种分析大型波导缝隙阵列天线热变形对辐射特性影响的方法,并基于有限元模型分析获得的不同工况下阵面天线热变形数据,编程分析了热变形对天线电性能的影响,为型号项目研究提供了有价值的评估。
总之,本文从机、电、热一体化设计思想出发,对星载Ku波段波导缝隙阵列天线的多个方面进行了研究,克服了电大尺寸天线设计的宽频带馈电、热变形分析及加工测试等问题,通过加工实验件进行测试验证了设计方法的正确性,研究内容对于后续工程任务以及星载阵列天线的研究等具有一定的指导意义。