具有抑制諧波輻射特性的頻選天線罩設(shè)計(jì)*

韓 超莫 熠

（1.海裝沈陽局大連地區(qū)第一軍事代表室 大連 116001）（2.電磁兼容性國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430064）

1 引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）是由周期性排布的金屬單元或孔徑單元組成的二維周期性結(jié)構(gòu)。FSS對(duì)不同頻率的入射波呈現(xiàn)透射或反射的電磁特性，可起到空間濾波的效果［1～4］。因此頻選天線罩可保證天線主頻內(nèi)輻射特性的同時(shí)，發(fā)射帶外入射波，從而有效較低天線的雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，RCS），對(duì)隱身平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義［5～6］。

在設(shè)計(jì)FSS時(shí)，一般以無限大FSS結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)FSS的通帶特性和帶外抑制特性進(jìn)行設(shè)計(jì)［7～8］。實(shí)際的頻選天線罩為有限大小結(jié)構(gòu)，且處于天線近場(chǎng)范圍內(nèi)，與天線之間存在相互耦合，從而影響天線阻抗帶寬、增益、輻射波束寬度等電氣性能［9～10］，因此需要對(duì)有限大小頻選天線罩和天線進(jìn)行整體仿真，分析頻選天線罩對(duì)天線電氣性能影響，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［11～12］。

本文設(shè)計(jì)了一款具有較高諧波輻射抑制特性的頻選天線罩，通過頻選單元結(jié)構(gòu)類型選擇，以及頻選單元結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，獲得了較好的通帶帶寬和二次諧波抑制性能。頻選天線罩和天線整體仿真分析，表明該頻選天線罩對(duì)天線工作帶寬和主頻輻射特性影響較小，對(duì)二次諧波輻射具有較好的抑制特性。

2 頻選天線罩設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

頻選天線罩的單元形式如圖1所示，頻選天線罩單元印刷在厚度為0.16mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.5，損耗角正切為0.019的介質(zhì)板上。圖中淺灰部分為金屬，深灰部分為介質(zhì)板。通過使用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，頻選天線罩單元相關(guān)尺寸為a=15mm、a1=9.3mm、b1=1.8mm、l=11.1mm、s=0.33mm。

圖1 頻選單元結(jié)構(gòu)圖

圖2為頻選天線罩單元的反射系數(shù)和插入損耗曲線，從圖中可以看出，反射系數(shù)低于-10dB的阻抗帶寬約為 630MHz（2.92GHz～3.55GHz），在帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于-0.5dB，可見這種頻選結(jié)構(gòu)具有較寬的阻抗帶寬。從圖中還可以看出，在頻選天線罩單元工作頻帶二次諧波對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)，阻抗匹配較差，插入損耗較大，從而說明頻選天線罩單元在二次諧波對(duì)應(yīng)頻帶具有較好的抑制特性。

圖2 頻選單元的反射系數(shù)和插入損耗曲線

3 頻選天線罩對(duì)天線諧波輻射抑制仿真結(jié)果

本文重點(diǎn)研究頻選天線罩對(duì)天線諧波輻射抑制特性，因此選擇頻選天線罩與天線之間的間距為λ（λ為天線工作中心頻率，在自由空間的波長(zhǎng)），盡量減小頻選天線罩對(duì)天線性能的影響。選擇頻選天線罩的尺寸較大，為1.95λ*1.95λ，頻選單元數(shù)目為13*13=169個(gè)，從而能充分體現(xiàn)頻選天線罩的諧波抑制特性。天線選擇印刷寬帶對(duì)稱陣子，天線帶有矩形金屬反射地板，尺寸為1.7λ*1.7λ。

圖3 帶有頻選天線罩的天線示意圖

圖4給出了不帶頻選天線罩和帶有頻選天線罩的天線阻抗帶寬曲線，從圖中可以看出，不帶頻選天線罩時(shí)，天線-10dB主頻工作阻抗帶寬為700MHz（2.95GHz～3.65GHz），天線在主頻的二次諧波頻段處具有較好的阻抗匹配特性，-10dB阻抗帶寬為550MHz（6.2GHz～6.75GHz），表明天線諧波能夠通過天線順利輻射。帶有頻選天線罩時(shí)，天線-10dB主頻工作阻抗帶寬為1020MHz（2.98GHz～4GHz），相比于不帶頻選天線罩情況，主頻工作帶寬增加了約320MHz；在天線主頻的二次諧波頻段范圍內(nèi)，天線阻抗匹配特性較差，大部分能量被反射，無法有效輻射二次諧波頻段內(nèi)的信號(hào)，表明具有二次諧波輻射抑制特性。

圖4 帶有頻選天線罩的天線阻抗帶寬曲線

圖5給出了不帶頻選天線罩和帶有頻選天線罩的主頻3.2GHz的輻射方向圖。從圖中可以看出，在±90°范圍內(nèi)，帶有頻選天線罩的天線輻射特性與不帶頻選天線罩基本保持一致，只是在最大輻射方向，帶有頻選天線罩的天線增益略微減小約0.6dB。

圖6給出了不帶頻選天線罩和帶有頻選天線罩的二次諧波6.4GHz的輻射方向圖。從圖中可以看出，不帶頻選天線罩天線的二次諧波呈現(xiàn)震蕩的特點(diǎn)，在Theta為0°方向增益為3.1dB；帶有頻選天線罩天線的二次諧波E面輻射方向圖，在天線主輻射方向變化較平緩，未有明顯震蕩，H面方向圖主輻射方向變化總體比較平緩，但在主輻射方向±30°范圍存在輻射凹點(diǎn)，在Theta為0°方向增益為-7.4dB，相對(duì)不帶頻選天線罩天線的增益減小了約10.5dB，表明頻選天線罩對(duì)天線的二次諧波輻射具有抑制特性。

圖5 帶有頻選天線罩的主頻輻射方向圖

圖6 帶有頻選天線罩的二次諧波輻射方向圖

圖7為不帶頻選天線罩和帶有頻選天線罩的天線，在主頻最大輻射方向上，增益隨頻率變化曲線。從圖中可以看出，在天線主頻工作頻帶內(nèi)，兩者的增益吻合較好，增益約為6dB。帶有頻選天線罩的天線增益略降低0.5dB，這主要是由頻選天線罩的損耗造成。在天線二次諧波對(duì)應(yīng)頻段，不帶頻選天線罩天線的平均增益為2.5dB，帶有頻選天線罩天線的平均增益為-6dB，可見頻選天線罩對(duì)天線的二次諧波輻射平均約有9dB抑制能力。

圖7 帶有頻選天線罩的天線增益隨頻率變化曲線

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款具有較高諧波輻射抑制特性的頻選天線罩，對(duì)頻選天線罩+天線系統(tǒng)進(jìn)行了整體仿真分析，仿真結(jié)果表明，頻選天線罩對(duì)天線主頻阻抗特性和主頻輻射特性影響較小，對(duì)天線二次諧波輻射，具有較好的抑制能力。該頻選天線罩具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值，用于抑制天線諧波輻射發(fā)射，控制諧波輻射引起的電磁兼容問題。