频率选择表面在前门防护中的应用

张 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空军工程大学导弹学院,陕西三原 713800）

频率选择表面在前门防护中的应用

张 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空军工程大学导弹学院,陕西三原 713800）

为了提高雷达天线的抗带外干扰能力,在传统耶路撒冷环孔的基础上,设计了一种基于基片集成波导技术的新型带通频率选择表面（FSS）。仿真计算表明:将该新型FSS加载到喇叭天线上,不仅能够保证喇叭天线在通带内正常工作,而且可以有效抑制带外的一些干扰信号,在6～10 GHz工作频带内的带外抑制度达到20 dB,具有良好的前门防护效果。

雷达天线;频率选择表面;前门防护;带外干扰;基片集成波导;传输系数

1 引 言

前门耦合主要指电磁脉冲或者微波能量通过目标上的天线耦合到电子系统内。各种地空雷达是高功率微波武器的主要打击目标,其天线系统无疑成为高功率微波电磁能量的耦合前门。由于雷达接收天线的增益较高,进入雷达接收机的电磁脉冲功率很强,比较容易破坏雷达接收机内的电子元件。通过使用天线罩可以更好地实现天线的性能,文献[1,2]等进行了相关研究。

频率选择表面（FSS）是由周期性排列的金属贴片单元或由金属屏上周期性的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构[3],FSS技术广泛应用于天线和雷达罩等领域。带通FSS结构一般是在金属屏上加工一系列的缝隙单元,并由一层或多层介质加载,呈现出带通滤波特性,使电磁波可以在所需频段通过而屏蔽其它频段,尤其适用于雷达舱的带外隐身。基片集成波导（SIW）[4]是近年来提出的一种新型导波结构,具有插损低、辐射低、品质因数高等优点,因此被广泛应用于微波平面电路[5-7]。频率选择表面可以加载在雷达天线上,提高雷达天线的抗干扰能力[8]。

本文采用基片集成波导技术,设计了一种新型的频率选择表面,将之应用到前门防护中,具有良好的前门防护效果,计算结果证明了其有效性。

2 理论依据

基片集成波导（SIW）指的是一种能够利用PCB、LTCC等集成工艺获得,并可以代替传统矩形波导的新型微波毫米导波结构,它等效于介质填充波导。基片集成波导结构兼顾了矩形波导传输损耗小、Q值高和微带结构成本低、加工简单、易于平面集成的共同优点,在微波毫米波电路中得到了广泛的应用。图1给出了SIW的基本结构示意图。

图1 SIW的几何结构Fig.1 Structure of SIW

矩形波导中导模无衰减传播的最大波长为该导模的截止波长λc,导模在波导中能够传输的条件是工作波长要小于该导模的截止波长（λ<λc）。矩形波导中存在多种传输模式,如TEmn和TMmn,而在SIW结构中,因为窄壁是由不连续的金属过孔构成,破坏了形成TMmn模的窄壁电流,因而在SIW中只能存在TEmn模,主模同样为TE10模。

Y.Cassivi[9]用BI-REM法结合Floquet理论计算了基片集成波导的散射特性,得到了TE10模和TE20模的截止频率计算公式:

式中,c0为真空中的光速。在保证p、d足够小的情况下,能量的辐射损耗非常小（可以忽略）。Y.Cassivi还通过实验曲线拟合出了SIW的宽度a与等效矩形波导宽度aeff之间的转换公式:

式（3）成立的前提是金属化通孔间隔足够小,此时计算结果的近似程度很好。实际上,aeff取决于a、p和d3个参数,但是上式没有包含d/a对等效宽度的影响。研究表明:d越小,误差越小。因此,考虑到d/a对等效宽度的影响,可以得到更为精确的等效宽度表达式[10]:

当满足p/d<3,d/a<1/5,公式（3）和（4）有较高的精度。同时为防止能量的泄漏,SIW过孔直径、周期和宽度还应该满足下列关系[11]:d<0.2λg,d<0.4a,p<2d。

在满足上述尺寸条件下,SIW的电场分布如图2所示,类似矩形波导传输波的情况,电磁波被限制在两排金属柱之间向前传输。另外,图中SIW部分最后一个过孔和SIW端口之间的距离偏大,也造成了明显的能量泄露,这些在工程中都应该小心对待。

图2 基片集成波导中的电场分布Fig.2 Electric field in SIW

3 模型的建立与分析

3.1 FSS单元模型的建立

图3是在传统耶路撒冷方形环孔的基础上,基于基片集成波导技术设计的FSS单元视图。FSS单元尺寸如下:L=16.2 mm,La=6 mm,Lb=5 mm,Lc=2 mm,Ld=6 mm,Le=1.5 mm,d=1 mm。阵列采用正方形栅格排列,采用介质RogersRT5880,厚度为1 mm,其中白色部分为缝隙。本文采用双层FSS的设计。

图3 FSS单元的局部视图Fig.3 Structure of the FSS unit

图4 平面波照射时的传输响应Fig.4 Transm ission response of the FSS with p lane wave normal incidence

由仿真曲线可知,本文设计的FSS的中心频带大约在8.5 GHz,-3 dB通带宽度为7.5～8.8 GHz。

3.2 FSS加载在天线的影响分析

在本文中选取喇叭的长度为50 mm,喇叭天线的E面和H面的张角为45°,喇叭的开口为80 mm×80 mm。把上节设计的FSS加载在喇叭天线开口处,仿真计算加载天线的特性参数。仿真模型如图5所示。

图5 喇叭开口处加载FSS的几何外形Fig.5 Geometry of normal horn antenna covered with FSS at its aperture

由图4和图6可以明显看出,在频率选择表面的通带内（7.5～8.8GHz）,加载FSS后的喇叭天线也在此频带内正常工作,但在FSS的通带外喇叭天线的回波损耗就会较大,不能正常工作。这样FSS就相当于天线的一个带通滤波器,可以有效控制雷达天线的工作频带。由图6可知,加载FSS后的喇叭天线的带外抑制能力达到将近20 dB,可以保证天线有效地抵抗带外干扰。

图6 有无加载FSS喇叭天线的回波损耗Fig.6 Return loss of the FSS-antenna and horn antenna

为了判定加载FSS的喇叭天线的辐射特性的变化,图7和图8给出了有无FSS喇叭天线的E面和H面的辐射方向图。由图7和图8可知,加载FSS后,会降低一些天线的增益,但对天线整体性能的影响不大,分析原因主要可能是FSS的介质厚度较厚、介质损耗较大造成的。

图7 在8.5 GHz时有无加载FSS喇叭天线的E面辐射方向图Fig.7 E-plane radiation performance of FSS-antenna and horn antenna at 8.5 GHz

图8 在8.5GHz有无加载FSS喇叭天线的H面辐射方向图Fig.8 H-p lane radiation performance of FSS-antenna and horn antenna at 8.5 GHz

通过分析有无加载FSS天线的回波损耗、天线的辐射方向图可知,在喇叭天线的前端使用频率选择表面就相当于给雷达天线加了一个天线罩,这样不仅能够保证天线在通带内正常工作,而且可以有效地抑制带外的一些干扰。由计算结果可知,在6～10GHz的工作频带内带外抑制能力达到20 dB,大大降低了带外无用信号对天线的影响,具有较好的前门防护效果,而且工程实施起来相对方便。

4 结 论

本文通过对基片集成波导技术进行详细分析,设计了一种新型频率选择表面,将其运用到前门防护中。仿真计算表明:使用频率选择表面能够大大提高雷达天线的带外抑制能力,而且不影响雷达天线的正常工作,带外抑制度达到20 dB左右。本文主要是针对喇叭天线进行的研究,而如何对其它天线进行防护则是进一步研究的课题。

[1] 李小秋,高劲松.一种适用于雷达罩的频率选择表面新单元研究[J].物理学报,2008,57（6）:3802-3806.

LI Xiao-qiu,GAO Jin-song.A novel element of frequency selective surface for radome[J].Acta Physica Sinica,2008,57（6）:3802-3806.（in Chinese）

[2] 贾宏燕,高劲松.一种性能稳定的新单元频率选择表面[J].物理学报,2009,58（1）:504-509.

JIA Hong-yan,GAO Jin-song.A novel element of frequency selective surface with stable performance[J].Acta Physica Sinica,2009,58（1）:504-509.（in Chinese）

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App lication of Frequency Selective Surface in Front-door Protection

ZHANG Hou,SHU Nan,LI Gui-yuan,YIN Xiong
（The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China）

In order to improve the out-band interference suppression performance of radar antenna,on the basis of the traditional Jerusalem loop aperture,a new band-pass frequency selective surface（FSS）is designed based on substrate integrated waveguide（SIW）.The calculation results show that the horn antenna by covering the FSS at the aperture can not only workwell at pass-band,but also suppress the interference signals at out-band and the performance of anti-interference is improved 20 dB at 6～10 GHz,excellent front-door protection performance can be achieved.

radar antenna;frequency selective surface（FSS）;front-door protection;out-band interference;substrate integrated waveguide（SIW）;transmission coefficient

TN011

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.019

1001-893X（2010）11-0090-04

2010-07-15;

2010-09-08

张 厚（1962-）,男,河北武安人,分别于1983年、1988年获空军导弹学院学士及硕士学位,于2003年获西安电子科技大学博士学位,现为空军工程大学教授、博士生导师,长期从事天线与电磁兼容领域的研究;

ZHANG Hou was born inWu′an,Hebei Province,in 1962.He

the B.S.degree,the M.S.degree from Air Force Missile Institute and the Ph.D.degree from Xidian University in1983,1988 and 2003,respectively.He is now a p rofessor and also the Ph.D.supervisor in Air Force Engineering University（AFEU）.His research concerns antenna,electromagnetic com patibility,etc.

舒 楠（1987-）,男,河南正阳人,2008年于空军工程大学获工学学士学位,现为空军工程大学电磁场与微波技术硕士研究生,主要从事电磁兼容领域的研究;

SHU Nan was born in Zhengyang,Henan Province,in 1987.He received the B.S.degree from AFEU in 2008.He is now a graduate student.His research concerns electromagnetic compatibility.

Email:shunan8933590@126.com

李圭源（1983-）,男,甘肃庆阳人,2005年于空军航空大学获工学学士学位,2008年于解放军信息工程大学获军事学硕士学位,现为空军工程大学博士研究生,主要研究方向为雷达系统间电磁兼容、电磁干扰等;

LI Gui-yuanwasborn in Qingyang,Gansu Province,in1983.He received the B.S.degree from Aviation University of Air Force and the M.S.degree from PLA Information Engineering University in 2005and 2008,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree in AFEU.His research concerns radar EMC,EMI,etc.

殷 雄（1984-）,男,湖南人,分别于2007年和2010年获空军工程大学工学学士及硕士学位,现为空军工程大学电磁场与微波技术专业博士研究生,主要从事天线技术及电磁带隙结构的应用研究。

YIN Xiong was born in Hunan Province,in 1984.He received the B.S.degree and the M.S.degree from AFEU in 2007 and 2010,respectively.He is currently working toward the Ph.D.degree in AFEU.His research concerns antenna,electromagnetic bandgap,etc.