金属挡板对共面天线隔离效应的试验研究∗

王松洁 冀 航

（中国舰船研究设计中心 武汉 430000）

1 引言

目前出于舰船隐身性能的考虑，越来越多的天线采用平面化的设计，以嵌入船体开口的形式安装，使得天线口面与船体外壁共面。这些嵌入安装的天线彼此共面时，为了保障相互之间的电磁兼容性［1］，需要采用新的隔离技术能来改善天线间的隔离度。

目前可以采用的新的隔离方法有涂敷吸波材料［2～4］，EBG 电磁材料阻隔［5～7］，属挡板阻隔［8～10］等方法。本文主要研究金属挡板对阵面天线的隔离情况，金属挡板在对电磁波产生遮挡，改变传播方向和特性的同时，也会让电磁波产生绕射效应。国内外针对金属挡板的电磁效应已经做了一定的研究，黄龙水［8］研究了金属平板对阵列天线端射特性的影响，研究表明由于金属挡板的反射效应，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。宋东安等对自由空间下双叶挡板［9］和菲涅尔圆盘［11］的遮挡效应进行了理论和试验研究。随后又在此基础上通过理论和仿真研究［10］了阵面天线间垂直安装挡板时，在平面波照射的挡板后方区域阴影区域场强的影响因素。国防大学吕波［12］采用U形金属挡板，有效地抑制了阵面天线间的耦合，给应用提供了指导。

从目前研究现状看，关于挡板高度共面天线间的隔离度影响，还未通过试验进行验证。因此本选取一种典型的共面天线布置方案，采用模拟试验研究金属挡板垂直安装共面天线间时，不同高度金属挡板对共面天线隔离效应的试验研究。

2 理论分析

为了定性分析金属挡板对共面天线的隔离效果，可以研究均匀平面波照射后挡板后方P点的场强变化来，研究挡板对天线的隔离效果，图中Q点为电磁波在金属表面的反射点。

图1 平面波照射挡板示意图

如图当均匀平面波照射挡板时，挡板后方P点的场强为两部分组成，一个为散射波Ud和反射波Ur：

式中：xh为挡板高度，xp为P点高度的，ZQ为反射点距离挡板的水平方位上的距离，Zp为P点到挡板的水平方位上的距离，r为P和Q两点的距离，

上式表明：P点的场强由两部分组成，两部分的合成场强值大小与相位密切相关，当xh≫xp时，上式子两个积分的相位和幅度基本相同，因此两者的相位差主要由绕射波和反射波的路程差决定［10］。另外由菲涅尔积分可知，当xh越大，积分的值越小，所以增加高度可以减小P点的场强。

3 试验及结果分析

为了验证理论分析，采用试验的方法来研究高度对共面天线间隔离度影响，本文中隔离度通过传输系数S21来衡量。在金属挡板隔离试验中，采用两副喇叭天线模拟收发共面天线，发射方向与天线的安装面垂直（天线安装面为金属结构），喇叭口与天线安装面处于同一平面上。金属挡板垂直于天线安装面，金属挡板为与接收天线上方90cm，天线间间距为4.5m。试验测量收发天线间传输系数S21，用于衡量天线间的隔离情况。试验期间整个测试系统的收发状态固定，保证试验结果在同一基准电平上进行对比分析。

图2 测试系统架构示意图

图3 2GHz～10GHz安装3cm高度挡板后S21对比

图4 2GHz～10GHz安装10cm高度挡板后S21对比

由图中可知道，对于 4GHz，5GHz，6GHz，挡板高度由3cm变成10cm隔离度提升了5dB～6.8dB，10cm到30cm隔离度提升了3dB～4.4dB，当挡板高度继续提升至50cm，隔离度度增加并不显著。原因是在此频段内，30cm挡板以及能够挡住大部分的电磁波。

图5 2GHz～10GHz安装30cm高度挡板后S21对比

图6 2GHz～10GHz安装50cm高度挡板后S21对比

表1 不同频率处S21随着挡板高度变化情况表

从图中可以看出，挡板高度增加，隔离度增大。为了进一步定量的研究，隔离度随着挡板高度（电长度 h/λ）变化情况，选取4GHz，5GHz和6 GHz研究高度与∆S21关系如下：

图7 不同频率∆S21随着挡板高度变化情况

表2 不同频率处∆S21随着挡板高度变化表

由图可知，隔离度随电长度变化趋势基本一致，挡板电长度从0～1.6变化时，隔离度提升较为显著，达到6dB/λ，当电长度增大到4λ以后，隔离度提升了10dB左右，进一步增大高度后隔离度提升不够明显，结论和以上的分析相吻合。

4 结语

以上采用喇叭天线垂直于安装面，能够模拟阵面天线实际工作状态下，不同高度挡板对天线隔离的效果。通过试验可以分析，挡板的高度需要根据需求进行具体的设计。在采用图1的安装位置下，挡板高度采用4λ，能够抑制大部分的电磁波，提升天线隔离10dB左右。

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