金属平板对阵列天线端射特性的影响

黄龙水，熊海亮，宋东安

(1．海军装备部驻701 所军事代表室，湖北 武汉430064;2．中国舰船研究设计中心 电磁兼容性重点实验室，湖北 武汉430064)

0 引 言

在实际应用中，阵列天线通常布置在金属平板上，金属板的反射效应虽然增强了阵列天线的前向辐射，但可能改变阵列天线的端射特性。在多个阵列天线布置中，为了控制彼此之间的电磁干扰，需要分析研究阵列天线的端射特性，并根据阵列天线的端射特性来指导阵列天线的布置［1］。关于金属板对阵列天线辐射特性的影响已有许多相关的研究工作。Ramounen 等对放置在金属平板附近的薄带天线进行试验研究［2］，Lingfei 等对放置在金属平板上的偶极子天线的传输效率进行了研究［3］，而文献［4－5］对金属平板附近的类似于折叠环天线和其他类型的天线进行了研究。本文对置于金属平板上印刷振子阵列天线的端射特性的影响进行仿真研究，通过研究表明，由于金属板的反射效应，使其在H 面的端射小于E 面的，并且这种特性与阵列天线的扫描特性的相关性较小。利用阵列天线的这种端射特性可以指导阵列天线的布置。

1 模型建立

为研究金属板对阵列天线端射特性的影响，建立如图1所示的阵列模型。该模型中坐标轴位于阵列中心，即距离上端4 行和距离左端4 列。该模型是由8 行8 列共64 个阵元组成的一个平面阵列，选取64 阵元阵列天线得原因是既可兼顾计算量，同时又表征出阵列的辐射特性。该模型中阵元沿x 轴和y 轴的间距分别为dx=λ/2 和dy=λ/2，且阵元馈点的高度为h=λ/4 。阵元采取目前常用的三角形栅格排布方式，这种排列方式具有节省阵元等优点。为了模拟阵列天线的实际布置状况，将阵列布置在一个无穷大的理想金属面上，这样做的好处:一是在仿真计算时可以采用镜像原理而节约计算资源;二是无需考虑有限金属板的边缘绕射效应。其中的阵元模型如图2所示(L1=1.7 cm，L2=2.8 cm，L3=1.8 cm，L4=0.65 cm)。

图1 阵列模型示意图Fig.1 The printed dipole array sketch map

图2 阵元模型Fig.2 The model of printed dipole antenna

根据图1 和图2，采用商用电磁仿真软件FEKO建立如图3所示的电磁模型。该模型中阵元的馈电点位于2 个对称端的中间，这种馈电方式保证了阵元方向图的对称性。经过多次尝试，选取的网格剖分长度为λ/8，这样做既可以保证阵元上网格的对称性，也能保证无奇异网格。为了研究阵列的端射特性，选取高度为h=λ/4(即馈点高度)的端射方向作为计算区域。

为研究阵列扫描对端射特性的影响，根据阵列扫描理论对每个阵元进行相位赋值，以满足需要的扫描状态［6］。假设x 轴方向上的阵元数为m且阵元间距为dx，当波束在xoz 平面(或H 面)进行线性扫描时，相邻阵元间的相位差为φx=。同理，当波束在yoz 平面(或E 面)进行线性扫描时，y 轴方向上相邻阵元间的相位差为。显然，当波束在全空间扫描时，各阵元的相位差为

图3 阵列模型Fig.3 The model of printed dipole array

式中:θ 和φ 为球坐标系中的角坐标，即θ 是波束与z 轴的夹角;φ 为波束在xoy 面的投影与x 轴的夹角。可以根据扫描状态对应的θ 和φ，按上式计算出每个阵元的扫描相位并逐一赋值和计算。

2 仿真结果分析

基于上述模型分别计算有无金属板时非扫描和扫描状态下的端射方向图。为了便于分析，对不同情况下印刷振子阵列端射特性进行研究。

1)波束不扫描

在波束不扫描的情况下，为了分析水平金属平板对印刷偶极子阵列端射特性的影响，图4 给出了有无金属板时的端射方向图，其中实线表示有金属平板时的端射方向图，而另一条虚线则表示没有金属平板时的端射方向图。从图中可看出，所求区域场强值在φ=0°，180° 方向上，无金属平板时的场强值远大于有金属平板时的场强值;而在φ=90°，270° 方向上，无金属板时的场强值远小于有金属板时的场强值。这是由于阵列辐射在金属板上产生的表面电流造成的，表面电流会在空间各个方向产生二次辐射场，二次辐射在幅值上与直射场近似相等，相位上相反。由以上分析可知，在φ=0°，180° 方向上，直射场与二次辐射场是反相叠加而近似为0;在φ=90°，270° 的方向上，直射场较小，而二次辐射场较大，虽然二者是反相叠加，但二次辐射场还是起主要作用。

图4 有无金属平板时仿真结果对比Fig.4 Comparison of the simulation result with the situation of existing metal plate and without metal plate

2)波束扫描

在实际中，波束扫描角一般应小于45°，但若扫描角太小，这时扫描对端射特性的影响不显著，则无法准确描述扫描的影响，因此选取的扫描角为30°。图5 中2 个曲线分别表示无扫描和扫描角为θ=30° 和φ=0° (即波束在xoz 平面扫描)时所计算区域的端射方向图。图6 中2 个曲线分别表示无扫描和扫描角为θ=30°和φ=90°(即波束在yoz 平面扫描)时所计算区域的端射方向图。从图5 可看出，波束在x 方向的扫描没有使x 方向的辐射增加，但使y 方向的主瓣产生了分裂，产生了明显的4 个主瓣，主瓣与y 轴的夹角约20°;从图6可看出波束在y 方向扫描时的端射方向图与无扫描时基本相同，但在扫描方向(270°)的电平较之其反方向(90°)增大了约5 dB。这表明波束在yoz 平面扫描时，对端射方向(x 方向)的辐射基本没有影响。

图5 有无扫描时仿真结果对比(其中扫描时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°)

图6 有无扫描时仿真结果对比(其中扫描时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 结 语

基于上述仿真结果，研究金属平板对印刷振子阵列的端射特性的影响。由于金属平板上感应电流产生的二次辐射，所求区域场强值在H 面方向上，无金属平板时的场强值远大于有金属平板时的场强值;而在E 面方向上，无金属板时的场强值远小于有金属板时的场强值，这是由于金属板的反射效应改变了阵列在端射方向上的辐射特性。研究阵列工作于扫描状态下对端射特性的影响，结果表明阵列天线的扫描对端射特性的影响很小。

［1］张光义，赵玉洁．相控阵雷达系统［M］．北京:电子工业出版社，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．

［5］HASSAN M A．Numerical modelling technique for the radiation of wire antennas near conducting surfaces［J］．IEE Proceeding H，1911，138(3):225－232．

［6］薛正辉，李伟明，任武．阵列天线分析与综合［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2011．