波导裂缝天线

分类号密级UDC单位代码10151基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计谭晓明申请学位级别硕士学科与专业通信与信息系统论文完成日期2008.1论文答辩日期2008.3.26指导教师房少军职称教授学位授予单位大连海事大学答辩委员会主席TheAnalysisandDesignofSlotAntennaBasedonFinite-DifferenceTime-DomainMethodDissertationSubmittedtoDalianMaritimeUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringByTanXiaoMing(CommunicationandInformationSystem)DissertationSupervisor:ProfessorFangShaojunJanuary,2008大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密□不保密□（请在以上方框内打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：年月日中文摘要摘要时域有限差分法（FDTD）作为一种电磁场数值计算方法以其简单、直观等特点近年来备受业界关注和厚爱。本文按由简到繁的顺序，逐步介绍FDTD在一维、二维和三维电磁场问题上的基本使用技术，旨在给出该方法的基本构成脉络，并运用此方法分析计算单裂缝天线。作为裂缝阵列天线的理论基础，本文从对偶原理出发，分析并比较了半波对称振子和半波缝隙天线的场型特点，在此基础上分析了波导上单个缝隙的辐射机理和型式，并分析了由多个缝隙构成的波导裂缝天线阵的特点，给出相关的计算公式。单端馈电的波导裂缝天线，它的长度受到雷达发射脉冲宽度的限制，因此在港口雷达站等要求窄波束的条件下，大型裂缝天线就难以实现。但裂缝天线有许多优点，为了克服上述矛盾，论文的最后设计了一种双端相向馈电的波导裂缝天线，并借助Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS进行仿真。根据对方向图的要求，采用修正的切比雪夫阵设计该天线各缝隙的电流分布，并编写MATLAB程序进行计算。由于窄边开缝的波导裂缝天线各个缝隙排列复杂，给HFSS建模带来了困难，所以本文提供了利用MATLAB生成脚本程序来建立仿真模型的方法，该方法能快速准确地建立复杂模型。仿真结果表明所设计的双端相向馈电的波导裂缝天线基本满足使用要求。关键词：裂缝天线；时域有限差分法；双端馈电；切比雪夫阵；英文摘要AbstractAsanumericalcalculatingmethodofelectromagneticfield,theFinite-DifferenceTime-Domain(FDTD)methodisgenerallyfavoredintheprofessionalfieldbecauseofitssimplicity.Arrangedinanorderfromsimpletocomplex,thispaperintroducesrespectivelythebasicoperatingtechniqueofFDTDusedinonedimensional,twodimensionalandthreedimensionalelectromagneticfieldproblems.Itisaimedtoexplainthebasicstructureofthismethodanduseittoanalyzeandcalculateaslotantenna.Proceedingfromtheprincipleofduality,thepaperanalyzesandcomparesthefieldfeaturesofhalf-wavelengthbanddipoleandhalf-wavelengthapertureantenna,whichisthetheoreticalbasisofslottedantennaarray,Basedonthisthen,theauthorwillanalyzethemechanismofaapertureinonawaveguideandthefeaturesofslotted-waveguideantennaarrayformedbyanumberofaperture.Finally,theauthorpresentstherelevantformulas.Excitedfromasingleendofawaveguide,thelengthofaslotted-waveguideantennaisrestrictedbythewidthofradartransmittedpulse,soitisdifficulttoimplementalarge-scaleradarslotantennawithnarrowbeams.However,weshouldnotignorethefactthatslotantennahasmanyadvantages.Toovercomethiscontradiction,thepaperprovidesadesignofslotted-waveguideantennawhichisexcitedfrombothendofthewaveguide,andsimulatesitwiththehelpofHFSS.Accordingtotherequirementofdirectivity,thisresearcherdesignstheamplitudedistributionoftheaperturesbasedonmodifiedChebyshevarray,andcalculatesitbywritingprogramusingMATLAB.ThecomplexarrangementoftheslotsinthenarrowfaceofawaveguidebringsmuchtroubletomodelitinHFSS,sothepresentpaperoffersamethodtocreatethemodelbyproducingmodelscriptsinMATLAB.Thismethodcanestablishacomplexmodelquicklyandexactly.Thesimulatingresultshowsthatthisantennacanbasicallysatisfythepracticalrequirement.KeyWords：slotantenna；FDTD；bothendexcited；Chebyshevarray目录目录第1章绪论..............................................................................................................................11.1缝隙天线的研究状况及发展......................................................................................11.2单端馈电雷达裂缝天线的问题..................................................................................11.2.1脉冲宽度与天线长度.........................................................................................11.2.2天线效率.............................................................................................................21.3时域有限差分法概述..................................................................................................21.4论文的主要内容..........................................................................................................3第2章缝隙天线的基本原理..................................................................................................42.1对偶原理......................................................................................................................42.1.1电偶极子与磁偶极子的对偶性.........................................................................42.1.2电流元和磁流元的对偶性.................................................................................42.1.3对偶原理的建立.................................................................................................52.2理想缝隙天线的辐射机理..........................................................................................62.3波导缝隙的辐射机理..................................................................................................82.3.1开缝形式.............................................................................................................82.3.2波导缝隙的阻抗特性.........................................................................................92.4波导缝隙天线阵............................................................................