白 鶴,王五兔
(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100)
隨著航天科技的發(fā)展,對(duì)于星載天線提出更嚴(yán)格的要求:波束更窄、增益更高。而這促使天線反射面的尺寸越來越大。由于發(fā)射體積和發(fā)射重量的限制,固體反射面已經(jīng)不再適用,可展開天線引起了人們的注意。金屬網(wǎng)作為反射面的金屬網(wǎng)反射面可展開天線由于其展縮比大、網(wǎng)面精度高等優(yōu)點(diǎn)而在航天項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。
與固體反射面相比,金屬網(wǎng)反射面展示出獨(dú)特的RF性能。這促使人們對(duì)其進(jìn)行大量的研究,不僅分析金屬網(wǎng)反射面透射反射系數(shù)[1-3],還對(duì)金屬網(wǎng)反射面的無源互調(diào)特性進(jìn)行研究[4-6]。
在文獻(xiàn)[2]中指出接觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)對(duì)網(wǎng)狀反射面的電性能有顯著的影響,在文獻(xiàn)[4-6]中指出金屬絲接觸點(diǎn)是造成無源互調(diào)的主要源,而且通過接觸點(diǎn)的電流越大,產(chǎn)生的PIM就越大。但是尚未見有文章以其為研究對(duì)象。
本文中,以網(wǎng)狀反射面上金屬絲非理想接觸點(diǎn)接觸電流為研究對(duì)象。將金屬網(wǎng)看作周期結(jié)構(gòu),利用Ansoft HFSS中的Floquet端口技術(shù)仿真求解,給出了接觸電流隨金屬網(wǎng)孔、接觸狀態(tài)及饋源信號(hào)入射角度的變化曲線。為設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)反射面提供理論依據(jù)。
金屬網(wǎng)反射面天線結(jié)構(gòu)一般如圖1所示,作為反射面的金屬網(wǎng)一般由鍍金鉬絲以一定的編織方式編織而成。最常見的編織方式有 single Atlas,single Satin,black tricot,平紋編織等。這里研究平紋編織。對(duì)于金屬網(wǎng)反射面上的任意接觸P,其切平面如圖2所示,為一個(gè)理想無限大二維周期結(jié)構(gòu)。以P為坐標(biāo)原點(diǎn),建立坐標(biāo)系,圖中θi為饋源信號(hào)入射角度,Φi為極化角。
圖1 網(wǎng)狀反射面天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the metal mesh reflector antenna
圖2 平面無限大金屬網(wǎng)Fig.2 Plane wave incident upon a planar mesh with infiniteperiodic cell array
那么金屬網(wǎng)反射面上點(diǎn)P處的功率密度SP可以由式(1)表示,其中(θi,Φi)為饋源信號(hào)入射方向, Pr為饋源輻射功率,G(θi,Φi)為在(θi,Φi)方向的饋源增益。
由于一個(gè)周期單元的面積Acell很小,可以認(rèn)為在單元面上功率密度相等,因此在點(diǎn)P處去一周期單元,則該周期單元的入射功率為
這樣周期單元在曲面反射面上的位置既決定了饋源信號(hào)的入射角也決定了入射功率。圖3(a)給出了一個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元,為兩交叉接觸金屬絲,a和b表示金屬網(wǎng)網(wǎng)孔的邊長(zhǎng),為了簡(jiǎn)便假設(shè)a=b,即網(wǎng)孔為正方形。
圖3 平面周期單元兩金屬絲接觸示意圖Fig.3 Planar periodic cell and two metal wires contact
兩金屬絲之間的接觸如圖3(b)所示,假設(shè)接觸面為圓形,對(duì)于不同的接觸狀態(tài),兩根金屬絲之間的接觸面積不同,對(duì)應(yīng)接觸半徑a也不同,接觸面記為SC。
接觸點(diǎn)處的接觸電流可以通過接觸面處的電流密度在接觸面上積分得到。兩金屬絲接觸區(qū)域的體電流密度為J,在接觸面SC上積分得到接觸電流。
網(wǎng)狀反射面上點(diǎn)p處接觸電流可以通過對(duì)其切平面接觸的接觸電流仿真得到,切平面為平面周期結(jié)構(gòu),可以利用FSS的仿真分析方法來對(duì)金屬反射面天線進(jìn)行分析。這里使用Ansoft公司的HFSS軟件,利用其Floquet端口仿真接觸點(diǎn)處的體電流密度,從而利用上述公式計(jì)算接觸電流。選取周期結(jié)構(gòu)中一個(gè)單元,在HFSS中建立模型如圖4所示。
圖4 金屬網(wǎng)周期單元仿真模型Fig.4 Metal mesh periodic cell model
參數(shù)選取如下:金屬絲半徑為15 μm,饋源輻射信號(hào)頻率2 GHz,極化角度Φ為60°,入射功率密度為0.036 666 7 W/mm2。得到仿真結(jié)果如下:
1)網(wǎng)孔大小對(duì)接觸電流的影響
網(wǎng)孔大小是金屬網(wǎng)反射面的一個(gè)重要參數(shù),在研究網(wǎng)孔大小對(duì)接觸電流的影響時(shí),假設(shè)金屬網(wǎng)的其他參數(shù)不發(fā)生變化。若饋源信號(hào)垂直入射,兩金屬絲接觸半徑為1 μm,入射信號(hào)為TE模和TM模時(shí),接觸電流隨網(wǎng)孔大小的變化關(guān)系如圖5所示。
圖5 網(wǎng)孔大小對(duì)接觸電流的影響Fig.5 Contact current against mesh hole size
不管是入射信號(hào)TE模還是TM模,隨著金屬網(wǎng)網(wǎng)孔邊長(zhǎng)的增加接觸電流近似線性增加。在網(wǎng)孔邊長(zhǎng)超過4 mm時(shí),會(huì)出現(xiàn)諧振情況,導(dǎo)致接觸電流劇烈變化。接觸電流過大會(huì)導(dǎo)致金屬網(wǎng)產(chǎn)生的無源互調(diào)電平過大,對(duì)于收發(fā)共用的金屬網(wǎng)反射面天線將造成巨大的干擾。而網(wǎng)孔過小,金屬網(wǎng)的重量劇烈增加,對(duì)于星載天線,發(fā)射成本劇烈增加。因此在選用金屬網(wǎng)反射面時(shí)應(yīng)選用合適的網(wǎng)孔大小。如在2 GHz時(shí),選用網(wǎng)孔大小為2~3 mm最合適。
2)接觸狀態(tài)對(duì)接觸電流的影響
金屬絲與金屬絲之間的接觸狀態(tài)是金屬網(wǎng)反射面的另一個(gè)重要的參數(shù)[7]。這里接觸狀態(tài)利用接觸半徑來表征,接觸半徑越大,接觸狀態(tài)越良好,接觸半徑越小,接觸狀態(tài)越不良,當(dāng)接觸半徑為0時(shí),表示不接觸。研究接觸狀態(tài)對(duì)于接觸電流的影響時(shí),饋源信號(hào)垂直入射,網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為3 mm,入射信號(hào)為TE模和TM模時(shí),接觸電流密度隨接觸半徑的變化曲線如圖6所示。
圖6 接觸半徑對(duì)接觸電流密度的影響Fig.6 Contact current density against contact radius
由圖6可以看出,入射信號(hào)為TE模和TM模時(shí)接觸電流變化趨勢(shì)相同,接觸電流密度隨著接觸半徑的增加先增大后減小,在接觸半徑為2~3 μm時(shí),有峰值。決定金屬網(wǎng)上金屬絲接觸狀態(tài)的是金屬網(wǎng)的編織結(jié)構(gòu)和所施加的張力。因此在選用金屬網(wǎng)反射面時(shí),應(yīng)該選用合適的編織結(jié)構(gòu)和張力大小,盡量避免接觸半徑為2~3 μm的接觸出現(xiàn),這樣可以有效的降低由于接觸而引起的無源互調(diào)電平。
3)入射角度對(duì)接觸電流的影響
這里我們還對(duì)饋源信號(hào)入射角度對(duì)接觸電流的影響進(jìn)行研究[8]。研究接觸電流隨饋源信號(hào)入射角度變換關(guān)系時(shí),入射信號(hào) TE模和 TM模,接觸半徑 1 μm,網(wǎng)孔邊長(zhǎng) 3 mm,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 入射角度對(duì)接觸電流的影響Fig.7 Contact current against incident angle
由圖7可知,在入射角度小于20°時(shí),接觸電流基本不隨入射角度變換。入射角度大于20°時(shí),隨著入射角度的增加,TE模入射時(shí),接觸電流減小;而TM模入射時(shí),接觸電流增加。
文章研究了金屬網(wǎng)反射面金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小、金屬絲之間的接觸半徑、饋源信號(hào)入射角度對(duì)金屬絲與金屬絲之間的接觸電流的影響。得到金屬網(wǎng)反射面上金屬絲接觸電流隨各因素的變化關(guān)系。為研究金屬網(wǎng)反射面天線無源互調(diào)特性及設(shè)計(jì)金屬網(wǎng)反射面天線提供了一定的理論指導(dǎo)。
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