張 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空軍工程大學導彈學院,陜西三原 713800）

頻率選擇表面在前門防護中的應用

張 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空軍工程大學導彈學院,陜西三原 713800）

為了提高雷達天線的抗帶外干擾能力,在傳統耶路撒冷環(huán)孔的基礎上,設計了一種基于基片集成波導技術的新型帶通頻率選擇表面（FSS）。仿真計算表明:將該新型FSS加載到喇叭天線上,不僅能夠保證喇叭天線在通帶內正常工作,而且可以有效抑制帶外的一些干擾信號,在6～10 GHz工作頻帶內的帶外抑制度達到20 dB,具有良好的前門防護效果。

雷達天線;頻率選擇表面;前門防護;帶外干擾;基片集成波導;傳輸系數

1 引 言

前門耦合主要指電磁脈沖或者微波能量通過目標上的天線耦合到電子系統內。各種地空雷達是高功率微波武器的主要打擊目標,其天線系統無疑成為高功率微波電磁能量的耦合前門。由于雷達接收天線的增益較高,進入雷達接收機的電磁脈沖功率很強,比較容易破壞雷達接收機內的電子元件。通過使用天線罩可以更好地實現天線的性能,文獻[1,2]等進行了相關研究。

頻率選擇表面（FSS）是由周期性排列的金屬貼片單元或由金屬屏上周期性的開孔單元構成的一種二維周期陣列結構[3],FSS技術廣泛應用于天線和雷達罩等領域。帶通FSS結構一般是在金屬屏上加工一系列的縫隙單元,并由一層或多層介質加載,呈現出帶通濾波特性,使電磁波可以在所需頻段通過而屏蔽其它頻段,尤其適用于雷達艙的帶外隱身?；刹▽В⊿IW）[4]是近年來提出的一種新型導波結構,具有插損低、輻射低、品質因數高等優(yōu)點,因此被廣泛應用于微波平面電路[5-7]。頻率選擇表面可以加載在雷達天線上,提高雷達天線的抗干擾能力[8]。

本文采用基片集成波導技術,設計了一種新型的頻率選擇表面,將之應用到前門防護中,具有良好的前門防護效果,計算結果證明了其有效性。

2 理論依據

基片集成波導（SIW）指的是一種能夠利用PCB、LTCC等集成工藝獲得,并可以代替?zhèn)鹘y矩形波導的新型微波毫米導波結構,它等效于介質填充波導?；刹▽ЫY構兼顧了矩形波導傳輸損耗小、Q值高和微帶結構成本低、加工簡單、易于平面集成的共同優(yōu)點,在微波毫米波電路中得到了廣泛的應用。圖1給出了SIW的基本結構示意圖。

圖1 SIW的幾何結構Fig.1 Structure of SIW

矩形波導中導模無衰減傳播的最大波長為該導模的截止波長λc,導模在波導中能夠傳輸的條件是工作波長要小于該導模的截止波長（λ<λc）。矩形波導中存在多種傳輸模式,如TEmn和TMmn,而在SIW結構中,因為窄壁是由不連續(xù)的金屬過孔構成,破壞了形成TMmn模的窄壁電流,因而在SIW中只能存在TEmn模,主模同樣為TE10模。

Y.Cassivi[9]用BI-REM法結合Floquet理論計算了基片集成波導的散射特性,得到了TE10模和TE20模的截止頻率計算公式:

式中,c0為真空中的光速。在保證p、d足夠小的情況下,能量的輻射損耗非常?。梢院雎裕.Cassivi還通過實驗曲線擬合出了SIW的寬度a與等效矩形波導寬度aeff之間的轉換公式:

式（3）成立的前提是金屬化通孔間隔足夠小,此時計算結果的近似程度很好。實際上,aeff取決于a、p和d3個參數,但是上式沒有包含d/a對等效寬度的影響。研究表明:d越小,誤差越小。因此,考慮到d/a對等效寬度的影響,可以得到更為精確的等效寬度表達式[10]:

當滿足p/d<3,d/a<1/5,公式（3）和（4）有較高的精度。同時為防止能量的泄漏,SIW過孔直徑、周期和寬度還應該滿足下列關系[11]:d<0.2λg,d<0.4a,p<2d。

在滿足上述尺寸條件下,SIW的電場分布如圖2所示,類似矩形波導傳輸波的情況,電磁波被限制在兩排金屬柱之間向前傳輸。另外,圖中SIW部分最后一個過孔和SIW端口之間的距離偏大,也造成了明顯的能量泄露,這些在工程中都應該小心對待。

圖2 基片集成波導中的電場分布Fig.2 Electric field in SIW

3 模型的建立與分析

3.1 FSS單元模型的建立

圖3是在傳統耶路撒冷方形環(huán)孔的基礎上,基于基片集成波導技術設計的FSS單元視圖。FSS單元尺寸如下:L=16.2 mm,La=6 mm,Lb=5 mm,Lc=2 mm,Ld=6 mm,Le=1.5 mm,d=1 mm。陣列采用正方形柵格排列,采用介質RogersRT5880,厚度為1 mm,其中白色部分為縫隙。本文采用雙層FSS的設計。

圖3 FSS單元的局部視圖Fig.3 Structure of the FSS unit

圖4 平面波照射時的傳輸響應Fig.4 Transm ission response of the FSS with p lane wave normal incidence

由仿真曲線可知,本文設計的FSS的中心頻帶大約在8.5 GHz,-3 dB通帶寬度為7.5～8.8 GHz。

3.2 FSS加載在天線的影響分析

在本文中選取喇叭的長度為50 mm,喇叭天線的E面和H面的張角為45°,喇叭的開口為80 mm×80 mm。把上節(jié)設計的FSS加載在喇叭天線開口處,仿真計算加載天線的特性參數。仿真模型如圖5所示。

圖5 喇叭開口處加載FSS的幾何外形Fig.5 Geometry of normal horn antenna covered with FSS at its aperture

由圖4和圖6可以明顯看出,在頻率選擇表面的通帶內（7.5～8.8GHz）,加載FSS后的喇叭天線也在此頻帶內正常工作,但在FSS的通帶外喇叭天線的回波損耗就會較大,不能正常工作。這樣FSS就相當于天線的一個帶通濾波器,可以有效控制雷達天線的工作頻帶。由圖6可知,加載FSS后的喇叭天線的帶外抑制能力達到將近20 dB,可以保證天線有效地抵抗帶外干擾。

圖6 有無加載FSS喇叭天線的回波損耗Fig.6 Return loss of the FSS-antenna and horn antenna

為了判定加載FSS的喇叭天線的輻射特性的變化,圖7和圖8給出了有無FSS喇叭天線的E面和H面的輻射方向圖。由圖7和圖8可知,加載FSS后,會降低一些天線的增益,但對天線整體性能的影響不大,分析原因主要可能是FSS的介質厚度較厚、介質損耗較大造成的。

圖7 在8.5 GHz時有無加載FSS喇叭天線的E面輻射方向圖Fig.7 E-plane radiation performance of FSS-antenna and horn antenna at 8.5 GHz

圖8 在8.5GHz有無加載FSS喇叭天線的H面輻射方向圖Fig.8 H-p lane radiation performance of FSS-antenna and horn antenna at 8.5 GHz

通過分析有無加載FSS天線的回波損耗、天線的輻射方向圖可知,在喇叭天線的前端使用頻率選擇表面就相當于給雷達天線加了一個天線罩,這樣不僅能夠保證天線在通帶內正常工作,而且可以有效地抑制帶外的一些干擾。由計算結果可知,在6～10GHz的工作頻帶內帶外抑制能力達到20 dB,大大降低了帶外無用信號對天線的影響,具有較好的前門防護效果,而且工程實施起來相對方便。

4 結 論

本文通過對基片集成波導技術進行詳細分析,設計了一種新型頻率選擇表面,將其運用到前門防護中。仿真計算表明:使用頻率選擇表面能夠大大提高雷達天線的帶外抑制能力,而且不影響雷達天線的正常工作,帶外抑制度達到20 dB左右。本文主要是針對喇叭天線進行的研究,而如何對其它天線進行防護則是進一步研究的課題。

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[2] 賈宏燕,高勁松.一種性能穩(wěn)定的新單元頻率選擇表面[J].物理學報,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

張 厚（1962-）,男,河北武安人,分別于1983年、1988年獲空軍導彈學院學士及碩士學位,于2003年獲西安電子科技大學博士學位,現為空軍工程大學教授、博士生導師,長期從事天線與電磁兼容領域的研究;

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,河南正陽人,2008年于空軍工程大學獲工學學士學位,現為空軍工程大學電磁場與微波技術碩士研究生,主要從事電磁兼容領域的研究;

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,甘肅慶陽人,2005年于空軍航空大學獲工學學士學位,2008年于解放軍信息工程大學獲軍事學碩士學位,現為空軍工程大學博士研究生,主要研究方向為雷達系統間電磁兼容、電磁干擾等;

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,分別于2007年和2010年獲空軍工程大學工學學士及碩士學位,現為空軍工程大學電磁場與微波技術專業(yè)博士研究生,主要從事天線技術及電磁帶隙結構的應用研究。

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.