基于广义导纳矩阵的波导缝隙天线快速分析

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波导缝隙天线是一种重要的微波天线,在通信和雷达系统中获得了广泛的应用。然而,随着波导缝隙数目的增加,单纯依靠仿真软件或是数值方法,在普通PC机上都很难进行分析。因此,对大型波导缝隙天线快速高效的分析计算成为工程上的迫切需要。本文基于广义导纳矩阵(GAM),围绕大型波导缝隙天线的快速分析展开了研究: 本文首先采用模式匹配的经典理论,建立了以波导缝隙天线裂缝所在平面法线方向为参考方向的分析模型,将天线分成内外两个区域。 对于天线内部区域,提出了行波状态利谐振状态两种情况下波导缝隙天线内部区域广义导纳参数的快速提取方案,建立了具有广泛适用性的天线单元广义导纳参数数据库,实现了缝隙天线内部区域GAM的级联,得到了广义输入导纳等主要参数,与HFSS仿真结果吻合良好。 对于天线外部区域,建立了带无限大导电板的波导缝隙阵列的分析模型,推导出表征波导缝隙天线外部区域各单元之间模式耦合的广义导纳参数的积分方程,采用Galerkin法求解该积分方程,并利用Lewin法简化了矩阵元素的计算以及奇异点处理等关键技术问题,编程实现了波导缝隙天线外部区域广义导纳参数GAM的快速提取,所得结果与文献结果一致。 本文最后实现了内外区域的结合,推导了基于模式匹配的内外区域广义导纳矩阵的级联公式,编写了考虑互耦和高次模影响的波导缝隙天线辐射方向图计算程序,分析计算了波导缝隙行波线阵、驻波线阵和面阵三种常见天线的辐射方向图,结算结果与HFSS仿真结果对比一致性很好。 本文的快速方法结合了内问题计算中现有HFSS仿真软件的通用性和灵活性和外问题分析中Galerkin法的精确性,一方面充分考虑了天线内部及其与外部空间之间的耦合以及高次模的影响,另一方面由于采用了具有高通用性的数据库技术,缝隙数的增加,几乎不会对整个计算过程的工作量和时间产生明显的影响,解决了HFSS软件对人型波导缝隙天线仿真出现的计算机容量及计算时间的难题,大大提高了计算速度和效率,为大型波导缝隙天线的快速分析和优化设计提供了有效的方法。
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