具有抑制谐波辐射特性的频选天线罩设计*

2020-12-23超莫

舰船电子工程 2020年11期

韩超莫熠

（1.海装沈阳局大连地区第一军事代表室大连 116001）（2.电磁兼容性国防科技重点实验室武汉 430064）

1 引言

频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是由周期性排布的金属单元或孔径单元组成的二维周期性结构。FSS对不同频率的入射波呈现透射或反射的电磁特性，可起到空间滤波的效果［1～4］。因此频选天线罩可保证天线主频内辐射特性的同时，发射带外入射波，从而有效较低天线的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS），对隐身平台的设计具有重要意义［5～6］。

在设计FSS时，一般以无限大FSS结构的仿真结果为基础，对FSS的通带特性和带外抑制特性进行设计［7～8］。实际的频选天线罩为有限大小结构，且处于天线近场范围内，与天线之间存在相互耦合，从而影响天线阻抗带宽、增益、辐射波束宽度等电气性能［9～10］，因此需要对有限大小频选天线罩和天线进行整体仿真，分析频选天线罩对天线电气性能影响，并进行优化设计［11～12］。

本文设计了一款具有较高谐波辐射抑制特性的频选天线罩，通过频选单元结构类型选择，以及频选单元结构尺寸的优化，获得了较好的通带带宽和二次谐波抑制性能。频选天线罩和天线整体仿真分析，表明该频选天线罩对天线工作带宽和主频辐射特性影响较小，对二次谐波辐射具有较好的抑制特性。

2 频选天线罩设计及仿真结果

频选天线罩的单元形式如图1所示，频选天线罩单元印刷在厚度为0.16mm，相对介电常数为2.5，损耗角正切为0.019的介质板上。图中浅灰部分为金属，深灰部分为介质板。通过使用HFSS软件进行优化仿真，频选天线罩单元相关尺寸为a=15mm、a1=9.3mm、b1=1.8mm、l=11.1mm、s=0.33mm。

图1 频选单元结构图

图2为频选天线罩单元的反射系数和插入损耗曲线，从图中可以看出，反射系数低于-10dB的阻抗带宽约为 630MHz（2.92GHz～3.55GHz），在带内插入损耗优于-0.5dB，可见这种频选结构具有较宽的阻抗带宽。从图中还可以看出，在频选天线罩单元工作频带二次谐波对应的频带内，阻抗匹配较差，插入损耗较大，从而说明频选天线罩单元在二次谐波对应频带具有较好的抑制特性。

图2 频选单元的反射系数和插入损耗曲线

3 频选天线罩对天线谐波辐射抑制仿真结果

本文重点研究频选天线罩对天线谐波辐射抑制特性，因此选择频选天线罩与天线之间的间距为λ（λ为天线工作中心频率，在自由空间的波长），尽量减小频选天线罩对天线性能的影响。选择频选天线罩的尺寸较大，为1.95λ*1.95λ，频选单元数目为13*13=169个，从而能充分体现频选天线罩的谐波抑制特性。天线选择印刷宽带对称阵子，天线带有矩形金属反射地板，尺寸为1.7λ*1.7λ。

图3 带有频选天线罩的天线示意图

图4给出了不带频选天线罩和带有频选天线罩的天线阻抗带宽曲线，从图中可以看出，不带频选天线罩时，天线-10dB主频工作阻抗带宽为700MHz（2.95GHz～3.65GHz），天线在主频的二次谐波频段处具有较好的阻抗匹配特性，-10dB阻抗带宽为550MHz（6.2GHz～6.75GHz），表明天线谐波能够通过天线顺利辐射。带有频选天线罩时，天线-10dB主频工作阻抗带宽为1020MHz（2.98GHz～4GHz），相比于不带频选天线罩情况，主频工作带宽增加了约320MHz；在天线主频的二次谐波频段范围内，天线阻抗匹配特性较差，大部分能量被反射，无法有效辐射二次谐波频段内的信号，表明具有二次谐波辐射抑制特性。

图4 带有频选天线罩的天线阻抗带宽曲线

图5给出了不带频选天线罩和带有频选天线罩的主频3.2GHz的辐射方向图。从图中可以看出，在±90°范围内，带有频选天线罩的天线辐射特性与不带频选天线罩基本保持一致，只是在最大辐射方向，带有频选天线罩的天线增益略微减小约0.6dB。

图6给出了不带频选天线罩和带有频选天线罩的二次谐波6.4GHz的辐射方向图。从图中可以看出，不带频选天线罩天线的二次谐波呈现震荡的特点，在Theta为0°方向增益为3.1dB；带有频选天线罩天线的二次谐波E面辐射方向图，在天线主辐射方向变化较平缓，未有明显震荡，H面方向图主辐射方向变化总体比较平缓，但在主辐射方向±30°范围存在辐射凹点，在Theta为0°方向增益为-7.4dB，相对不带频选天线罩天线的增益减小了约10.5dB，表明频选天线罩对天线的二次谐波辐射具有抑制特性。

图5 带有频选天线罩的主频辐射方向图

图6 带有频选天线罩的二次谐波辐射方向图

图7为不带频选天线罩和带有频选天线罩的天线，在主频最大辐射方向上，增益随频率变化曲线。从图中可以看出，在天线主频工作频带内，两者的增益吻合较好，增益约为6dB。带有频选天线罩的天线增益略降低0.5dB，这主要是由频选天线罩的损耗造成。在天线二次谐波对应频段，不带频选天线罩天线的平均增益为2.5dB，带有频选天线罩天线的平均增益为-6dB，可见频选天线罩对天线的二次谐波辐射平均约有9dB抑制能力。