金屬平板對陣列天線端射特性的影響

黃龍水，熊海亮，宋東安

(1．海軍裝備部駐701 所軍事代表室，湖北 武漢430064;2．中國艦船研究設(shè)計中心 電磁兼容性重點實驗室，湖北 武漢430064)

0 引 言

在實際應(yīng)用中，陣列天線通常布置在金屬平板上，金屬板的反射效應(yīng)雖然增強(qiáng)了陣列天線的前向輻射，但可能改變陣列天線的端射特性。在多個陣列天線布置中，為了控制彼此之間的電磁干擾，需要分析研究陣列天線的端射特性，并根據(jù)陣列天線的端射特性來指導(dǎo)陣列天線的布置［1］。關(guān)于金屬板對陣列天線輻射特性的影響已有許多相關(guān)的研究工作。Ramounen 等對放置在金屬平板附近的薄帶天線進(jìn)行試驗研究［2］，Lingfei 等對放置在金屬平板上的偶極子天線的傳輸效率進(jìn)行了研究［3］，而文獻(xiàn)［4－5］對金屬平板附近的類似于折疊環(huán)天線和其他類型的天線進(jìn)行了研究。本文對置于金屬平板上印刷振子陣列天線的端射特性的影響進(jìn)行仿真研究，通過研究表明，由于金屬板的反射效應(yīng)，使其在H 面的端射小于E 面的，并且這種特性與陣列天線的掃描特性的相關(guān)性較小。利用陣列天線的這種端射特性可以指導(dǎo)陣列天線的布置。

1 模型建立

為研究金屬板對陣列天線端射特性的影響，建立如圖1所示的陣列模型。該模型中坐標(biāo)軸位于陣列中心，即距離上端4 行和距離左端4 列。該模型是由8 行8 列共64 個陣元組成的一個平面陣列，選取64 陣元陣列天線得原因是既可兼顧計算量，同時又表征出陣列的輻射特性。該模型中陣元沿x 軸和y 軸的間距分別為dx=λ/2 和dy=λ/2，且陣元饋點的高度為h=λ/4 。陣元采取目前常用的三角形柵格排布方式，這種排列方式具有節(jié)省陣元等優(yōu)點。為了模擬陣列天線的實際布置狀況，將陣列布置在一個無窮大的理想金屬面上，這樣做的好處:一是在仿真計算時可以采用鏡像原理而節(jié)約計算資源;二是無需考慮有限金屬板的邊緣繞射效應(yīng)。其中的陣元模型如圖2所示(L1=1.7 cm，L2=2.8 cm，L3=1.8 cm，L4=0.65 cm)。

圖1 陣列模型示意圖Fig.1 The printed dipole array sketch map

圖2 陣元模型Fig.2 The model of printed dipole antenna

根據(jù)圖1 和圖2，采用商用電磁仿真軟件FEKO建立如圖3所示的電磁模型。該模型中陣元的饋電點位于2 個對稱端的中間，這種饋電方式保證了陣元方向圖的對稱性。經(jīng)過多次嘗試，選取的網(wǎng)格剖分長度為λ/8，這樣做既可以保證陣元上網(wǎng)格的對稱性，也能保證無奇異網(wǎng)格。為了研究陣列的端射特性，選取高度為h=λ/4(即饋點高度)的端射方向作為計算區(qū)域。

為研究陣列掃描對端射特性的影響，根據(jù)陣列掃描理論對每個陣元進(jìn)行相位賦值，以滿足需要的掃描狀態(tài)［6］。假設(shè)x 軸方向上的陣元數(shù)為m且陣元間距為dx，當(dāng)波束在xoz 平面(或H 面)進(jìn)行線性掃描時，相鄰陣元間的相位差為φx=。同理，當(dāng)波束在yoz 平面(或E 面)進(jìn)行線性掃描時，y 軸方向上相鄰陣元間的相位差為。顯然，當(dāng)波束在全空間掃描時，各陣元的相位差為

圖3 陣列模型Fig.3 The model of printed dipole array

式中:θ 和φ 為球坐標(biāo)系中的角坐標(biāo)，即θ 是波束與z 軸的夾角;φ 為波束在xoy 面的投影與x 軸的夾角?？梢愿鶕?jù)掃描狀態(tài)對應(yīng)的θ 和φ，按上式計算出每個陣元的掃描相位并逐一賦值和計算。

2 仿真結(jié)果分析

基于上述模型分別計算有無金屬板時非掃描和掃描狀態(tài)下的端射方向圖。為了便于分析，對不同情況下印刷振子陣列端射特性進(jìn)行研究。

1)波束不掃描

在波束不掃描的情況下，為了分析水平金屬平板對印刷偶極子陣列端射特性的影響，圖4 給出了有無金屬板時的端射方向圖，其中實線表示有金屬平板時的端射方向圖，而另一條虛線則表示沒有金屬平板時的端射方向圖。從圖中可看出，所求區(qū)域場強(qiáng)值在φ=0°，180° 方向上，無金屬平板時的場強(qiáng)值遠(yuǎn)大于有金屬平板時的場強(qiáng)值;而在φ=90°，270° 方向上，無金屬板時的場強(qiáng)值遠(yuǎn)小于有金屬板時的場強(qiáng)值。這是由于陣列輻射在金屬板上產(chǎn)生的表面電流造成的，表面電流會在空間各個方向產(chǎn)生二次輻射場，二次輻射在幅值上與直射場近似相等，相位上相反。由以上分析可知，在φ=0°，180° 方向上，直射場與二次輻射場是反相疊加而近似為0;在φ=90°，270° 的方向上，直射場較小，而二次輻射場較大，雖然二者是反相疊加，但二次輻射場還是起主要作用。

圖4 有無金屬平板時仿真結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the simulation result with the situation of existing metal plate and without metal plate

2)波束掃描

在實際中，波束掃描角一般應(yīng)小于45°，但若掃描角太小，這時掃描對端射特性的影響不顯著，則無法準(zhǔn)確描述掃描的影響，因此選取的掃描角為30°。圖5 中2 個曲線分別表示無掃描和掃描角為θ=30° 和φ=0° (即波束在xoz 平面掃描)時所計算區(qū)域的端射方向圖。圖6 中2 個曲線分別表示無掃描和掃描角為θ=30°和φ=90°(即波束在yoz 平面掃描)時所計算區(qū)域的端射方向圖。從圖5 可看出，波束在x 方向的掃描沒有使x 方向的輻射增加，但使y 方向的主瓣產(chǎn)生了分裂，產(chǎn)生了明顯的4 個主瓣，主瓣與y 軸的夾角約20°;從圖6可看出波束在y 方向掃描時的端射方向圖與無掃描時基本相同，但在掃描方向(270°)的電平較之其反方向(90°)增大了約5 dB。這表明波束在yoz 平面掃描時，對端射方向(x 方向)的輻射基本沒有影響。

圖5 有無掃描時仿真結(jié)果對比(其中掃描時θ=30°和φ=0°)Fig.5 Comparison of the simulation result with scanning and without scanning (while scanning angle are θ=30°，φ=0°)

圖6 有無掃描時仿真結(jié)果對比(其中掃描時θ=30°和φ=90°)Fig.6 Comparison of the simulation result with scanning and without scanning (while scanning angle areθ=30°，φ=90°)

3 結(jié) 語

基于上述仿真結(jié)果，研究金屬平板對印刷振子陣列的端射特性的影響。由于金屬平板上感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次輻射，所求區(qū)域場強(qiáng)值在H 面方向上，無金屬平板時的場強(qiáng)值遠(yuǎn)大于有金屬平板時的場強(qiáng)值;而在E 面方向上，無金屬板時的場強(qiáng)值遠(yuǎn)小于有金屬板時的場強(qiáng)值，這是由于金屬板的反射效應(yīng)改變了陣列在端射方向上的輻射特性。研究陣列工作于掃描狀態(tài)下對端射特性的影響，結(jié)果表明陣列天線的掃描對端射特性的影響很小。

［1］張光義，趙玉潔．相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．

ZHANG Guang-yi，ZHAO Yu-jie．Principles of phased array radar［M］．Beijing:National Defence Industrial Press，1994．

［2］RAUMONEN P，SYDANHEIMO L，UKKONEN L，KESKILAMMI M，KIVIKOSKI M．Folded dipole near metal plate［J］．IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2003(6):848－851．

［3］LINGFEI M，HONGJIAN Z．RFID antenna near the surface of metal［J］．IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，2007(8):803－806．

［4］NAKANO H，NAKAYAMA K．A curved spiral antenna above a conducting cylinder［J］．IEEE Trans．Antenna and propagation，1999，47(1):3－8．

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［6］薛正輝，李偉明，任武．陣列天線分析與綜合［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011．