頻選天線罩對陣列天線波束掃描特性影響分析

莫熠，奚秀娟*,2，陳亮,2，吳為軍,2，王冬冬,2

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064

2 電磁兼容性重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430064

通信天線通常工作在暴露的環(huán)境中，容易受到外部環(huán)境的不利影響，導(dǎo)致天線的工作壽命與精度降低[1]。在天線外部安裝天線罩能夠有效保護(hù)天線，同時加載有頻率選擇表面（FSS）的天線罩還將擁有空間濾波的特性，能確保陣列天線在正常工作的同時還能降低系統(tǒng)的雷達(dá)散射截面（RCS）[2-3]。然而頻選天線罩作為一種位于天線近場區(qū)域的有限大結(jié)構(gòu)，會對天線的電性能造成不利影響，會使天線主波瓣指向發(fā)生偏移，產(chǎn)生掃描誤差。通過對頻選天線罩的優(yōu)化設(shè)計，可以避免其對陣列天線造成的不利影響[4-7]。

有相關(guān)學(xué)者對帶有頻選天線罩的陣列天線的輻射特性進(jìn)行了研究，取得了一些成果。但是，Sun等[8-10]由于忽略了對頻選天線罩與天線間距離的優(yōu)化，導(dǎo)致頻選天線罩對天線的輻射方向圖產(chǎn)生了較大影響。Chen等[11-12]由于頻選天線罩的尺寸過小，不能完全覆蓋天線大角度輻射波束，導(dǎo)致天線的輻射方向圖出現(xiàn)了畸變現(xiàn)象。

本文將設(shè)計一款工作于S波段的5×5陣列天線和一款適用于該頻段的寬帶耶路撒冷十字架（Jerusalem）頻選天線罩。首先，以頻選天線罩對陣列天線掃描角度影響較小為約束條件，優(yōu)化設(shè)計頻選天線罩尺寸以及頻選天線罩與陣列天線間的距離；然后，借助仿真軟件HFSS對頻選天線罩與陣列天線系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 頻選天線罩的設(shè)計

頻選天線罩的單元形式與頻選單元的等效電路如圖1所示，頻選天線罩單元印刷在厚度為0.5 mm、相對介電常數(shù)為3的介質(zhì)板上。圖1中：a為頻選外振子的長度；b為頻選內(nèi)振子的長度；c為頻選外振子的寬度；s為頻選內(nèi)振子的寬度；L為頻選的單元尺寸；L1為頻選的等效電感；C1為頻選的等效電容；a的尺寸對應(yīng)于電路中的電感值，c的尺寸對應(yīng)于電路中的電容值。

在分析頻選天線罩的工作頻段時，通常使用等效電路的方法進(jìn)行分析。將FSS等效為一LC諧振回路，那么其諧振頻率如式（1）所示。通過優(yōu)化圖1中a與c的尺寸即可得到滿足設(shè)計需求的頻選天線罩。

式中，f0為頻選的諧振頻率。

使用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，該頻選的反射系數(shù)曲線如圖2所示。從圖中可以看出，該頻選的諧振頻率約為3.25 GHz，低于-10 dB的阻抗帶寬達(dá)560 MHz（3.02～3.57 GHz），相對帶寬為17.2%?？梢娫擃l選結(jié)構(gòu)具有較寬的阻抗帶寬。

當(dāng)陣列天線進(jìn)行波束掃描時，有大角度波束照射頻選天線罩的情況，因此需要確保頻選天線罩在擁有大角度入射波束時仍具有較好的阻抗帶寬以及濾波能力。圖3為入射角度分別為0°，20°和40°時頻選天線罩的反射系數(shù)曲線。從圖中可以看出，隨著入射角度的增大，頻選阻抗帶寬有一定的減小；當(dāng)入射角度達(dá)到40°時，頻選的諧振頻率仍保持3.25 GHz不變，低于-10 dB的阻抗帶寬減少至約460 MHz（3.08～3.50 GHz），仍能覆蓋天線的工作帶寬。該頻選單元經(jīng)優(yōu)化后的尺寸如表1所示。

表 1 頻選尺寸Table 1 Size of FSS

圖 4 帶有頻選天線罩的陣列天線Fig. 4 Array antenna with FSS radome

對于頻選天線罩與陣列天線，兩者之間存在一個最佳距離，在此距離時，頻選天線罩對陣列天線方向圖的影響最小。利用HFSS軟件中結(jié)合有限元法和邊界積分法的FE-BI邊界條件，對不同距離的頻選天線罩與陣列天線予以仿真，仿真模型如圖4所示，其中H為頻選天線罩與陣列天線間的距離。其結(jié)果如圖5所示，圖中，λ為陣元中心頻率對應(yīng)于自由空間的波長，約為9.2 cm。從圖中可以看出，當(dāng)頻選天線罩與陣列天線的間距為0.3λ時，后瓣電平相比單獨(dú)陣列天線高約10 dB，且由于頻選天線罩與陣列天線的間距過小，互耦導(dǎo)致的能量損失使帶罩天線的增益降低了約0.4 dB；當(dāng)間距為0.5λ時，副瓣和后瓣電平與單獨(dú)陣列天線相近；當(dāng)間距大于0.5λ時，帶罩天線的半功率波束寬度有一定的降低。因此認(rèn)為，當(dāng)頻選天線罩與陣列天線間距離為0.5λ時，頻選天線罩對陣列天線的輻射特性影響較小。在確定頻選天線罩的尺寸時，選擇頻選天線罩與陣列天線的間距為0.5λ。

在陣列天線進(jìn)行波束掃描時，頻選天線罩邊緣產(chǎn)生的反射與繞射會影響到天線的波束指向，產(chǎn)生掃描誤差。若適當(dāng)增加頻選天線罩的尺寸，使其能夠完全覆蓋天線波束指向的范圍，就能夠大大減小由天線罩引起的掃描誤差。圖6所示為頻選天線罩對陣列天線波束指向影響示意圖。當(dāng)陣列天線波束掃描角度達(dá)到最大40°時，考慮到其主波束的波瓣寬度為20°，可以計算得出頻選天線罩尺寸應(yīng)比陣列天線邊緣陣元約大97.5 mm。經(jīng)計算，得到頻選天線罩應(yīng)由15×17個單元組成。

2 頻選天線罩對陣列天線輻射的影響

為驗證該頻選天線罩對陣列天線波束掃描指向的影響，分別仿真了陣列天線掃描角度為0°，20°和40°時，無頻選天線罩陣列天線與有頻選天線罩陣列天線方向圖，如圖7所示。從圖中可以看出，當(dāng)陣列天線掃描角度較小時，和單獨(dú)陣列天線相比，帶有頻選天線罩的陣列天線主瓣增益與半功率波束寬度均未發(fā)生變化，副瓣增益出現(xiàn)了一定的波動，波束指向出現(xiàn)了約0.05°的偏差；當(dāng)掃描角度達(dá)到40°時，帶有頻選天線罩的陣列天線主瓣增益降低了約0.3 dB，且掃描角度偏差增大至約0.25°。可見加入頻選天線罩后，陣列天線的波束掃描指向不會發(fā)生明顯變化，說明經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的頻選天線罩不會對陣列天線輻射性能產(chǎn)生影響。

圖 7 不同波束掃描角度時FSS與陣列天線的方向圖Fig. 7 FSS/antenna system gain pattern for different scan angles

為驗證上述分析的正確性，對所設(shè)計的頻選天線罩與陣列天線進(jìn)行加工與測試。圖8為頻選樣件插入損耗的測試環(huán)境，測試用儀器為AV3672C-S型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，天線為HD-2040 PLHA450F00N型點(diǎn)聚焦透鏡喇叭天線。圖9為頻選樣件插入損耗的仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比圖。測試結(jié)果顯示，在3.02～3.57 GHz范圍內(nèi)，頻選的插入損耗低于1 dB的頻段為2.89～3.67 GHz，這與仿真結(jié)果2.99～3.62 GHz較為接近。產(chǎn)生誤差的主要原因為加工的頻選材料介質(zhì)板的損耗正切和加工誤差。

圖 8 頻選材料與測試環(huán)境Fig. 8 FSS material and test environment

圖 9 頻選樣件插入損耗的仿真與測試結(jié)果對比Fig. 9 Comparison of simulation and test results of FSS sample insertion loss

圖10為頻選天線罩對陣列天線掃描角度影響的測試結(jié)果。由圖可看出，當(dāng)掃描角度在0°～20°范圍內(nèi)時，頻選天線罩對陣列天線最多產(chǎn)生約0.10°的掃描誤差；當(dāng)掃描角度達(dá)到40°時，該頻選天線罩對陣列天線產(chǎn)生的掃描誤差增大至約0.32°。產(chǎn)生該誤差的原因是頻選天線罩安裝的角度有一定誤差，以及頻選天線罩介質(zhì)板的損耗正切和加工誤差。

圖 10 不同波束掃描角度時FSS與陣列天線的方向圖測試與仿真結(jié)果對比Fig. 10 Comparison of test and simulation results of FSS/antenna system gain pattern for different scan angles

3 結(jié) 語

本文分析了頻選天線罩對陣列天線波束掃描的影響，在綜合考慮頻選單元結(jié)構(gòu)、頻選天線罩尺寸對大角度入射波束的影響，以及頻選天線罩與陣列天線的間距后，對頻選天線罩與陣列天線進(jìn)行了一體化仿真。仿真結(jié)果表明：在加入經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的頻選天線罩后，陣列天線的主瓣增益與半功率波束寬度不會受到頻選天線罩的影響；當(dāng)陣列天線的掃描角度低于20°時，頻選天線罩不會對陣列天線掃描角度造成影響；當(dāng)陣列天線的掃描角度在20°～40°區(qū)間時，頻選天線罩對陣列天線掃描角度的影響最大僅為0.25°。

經(jīng)過合理設(shè)計的頻選天線罩不僅能夠為陣列天線提供空間濾波特性，同時也不會對陣列天線波束掃描產(chǎn)生影響。該頻選天線罩的優(yōu)化方法可以用于更大尺寸陣列天線與頻選天線罩的設(shè)計中。