频选天线罩对阵列天线波束扫描特性影响分析

引用格式：莫熠,奚秀娟, 陈亮, 等.频选天线罩对阵列天线波束扫描特性影响分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 31–35. MO Y, XI X J, CHEN L, et al. Analysis of influence of FSS radome on array antenna scanning[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2): 31–35.

莫熠1，奚秀娟*1,2，陈亮1,2，吴为军1,2，王冬冬1,2 1中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064 2电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430064

摘 要:［目的］针对频选天线罩对阵列天线波束扫描的不利影响，提出一种综合优化频选天线罩的方法。［方法］首先，设计一款由25个对称阵子组成的阵列天线和一款大角度入射时仍具有较好阻抗带宽和滤波性能的频选天线罩。然后，在此基础上使用HFSS软件对由频选天线罩—阵列天线组成的系统进行仿真，以阵列天线的辐射特性受影响最小为目标，确定频选天线罩的尺寸，以及频选天线罩与阵列天线间的距离。最后，比较单独阵列天线与频选天线罩—阵列天线系统的扫描角度变化。为验证理论的正确性，在实验中对不同扫描角度下带有频选天线罩的阵列天线方向图予以测试。［结果］结果显示，当频选天线罩与阵列天线间距离为 0.5λ时，频选天线罩对阵列天线副瓣与后瓣增益的影响最小，当阵列天线主瓣波束扫描角度达到40°时，频选天线罩会对阵列天线扫描角产生约0.25°的变化。［结论］经过分析与优化的频选天线罩不会对

阵列天线辐射性能产生不利影响，该设计方法可用于更大尺寸的阵列天线加频选天线罩。关键词：阵列天线；频选天线罩；一体化仿真中图分类号: U655.22 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01707

电感值，c的尺寸对应于电路中的电容值。在分析频选天线罩的工作频段时，通常使用等效电路的方法进行分析。将FSS等效为一 LC谐振回路，那么其谐振频率如式（ 1）所示。通过优化图1 中 a 与 c的尺寸即可得到满足设计需求的频选天线罩。

(1)

式中，f0为频选的谐振频率。使用 HFSS软件进行优化仿真，该频选的反射系数曲线如图2所示。从图中可以看出，该频选的谐振频率约为3.25 GHz，低于−10 dB的阻抗带宽达 560 MHz（3.02~3.57 GHz），相对带宽为17.2%。可见该频选结构具有较宽的阻抗带宽。

对于频选天线罩与阵列天线，两者之间存在一个最佳距离，在此距离时，频选天线罩对阵列天线方向图的影响最小。利用HFSS软件中结合有限元法和边界积分法的 FE-BI 边界条件，对不同距离的频选天线罩与阵列天线予以仿真，仿真模型如图4所示，其中H为频选天线罩与阵列天线间的距离。其结果如图5 所示，图中，λ为阵元中心频率对应于自由空间的波长，约为 9.2 cm。从图中可以看出，当频选天线罩与阵列天线的间距为 0.3λ时，后瓣电平相比单独阵列天线高约10 dB ，且由于频选天线罩与阵列天线的间距过小，互耦导致的能量损失使带罩天线的增益降低了约 0.4 dB；当间距为 0.5λ时，副瓣和后瓣电平与单独阵列天线相近；当间距大于 0.5λ 时，带罩天线的半功率波束宽度有一定的降低。因此认为，当频选天线罩与阵列天线间距离为0.5λ 时，频选天线罩对阵列天线的辐射特性影响较小。在确定频选天线罩的尺寸时，选择频选天线罩与阵列天线的间距为 0.5λ。在阵列天线进行波束扫描时，频选天线罩边缘产生的反射与绕射会影响到天线的波束指向，产生扫描误差。若适当增加频选天线罩的尺寸，使其能够完全覆盖天线波束指向的范围，就能够大大减小由天线罩引起的扫描误差。图6所示为频选天线罩对阵列天线波束指向影响示意图。当阵列天线波束扫描角度达到最大40°时，考虑到其主波束的波瓣宽度为20° ，可以计算得出频选天线罩尺寸应比阵列天线边缘阵元约大97.5 mm。经计算，得到频选天线罩应由15×17 个单元组成。

为验证上述分析的正确性，对所设计的频选天线罩与阵列天线进行加工与测试。图8为频选样件插入损耗的测试环境，测试用仪器为AV3672C-S型矢量网络分析仪，天线为 HD-2040 PLHA450F00N型点聚焦透镜喇叭天线。图9为频选样件插入损耗的仿真结果与测试结果对比图。测试结果显示，在 3.02~3.57 GHz范围内，频选的插入损耗低于1 dB的频段为 2.89~3.67 GHz，这与仿真结果 2.99~3.62 GHz较为接近。产生误差的主要原因为加工的频选材料介质板的损耗正切和加工误差。

0.32°。产生该误差的原因是频选天线罩安装的角度有一定误差，以及频选天线罩介质板的损耗正切和加工误差。本文分析了频选天线罩对阵列天线波束扫描的影响，在综合考虑频选单元结构、频选天线罩尺寸对大角度入射波束的影响，以及频选天线罩与阵列天线的间距后，对频选天线罩与阵列天线进行了一体化仿真。仿真结果表明：在加入经过优化设计的频选天线罩后，阵列天线的主瓣增益与半功率波束宽度不会受到频选天线罩的影响；当阵列天线的扫描角度低于 20°时，频选天线罩不会对阵列天线扫描角度造成影响；当阵列天线的扫描角度在20°~40°区间时，频选天线罩对阵列天线扫描角度的影响最大仅为0.25°。经过合理设计的频选天线罩不仅能够为阵列天线提供空间滤波特性，同时也不会对阵列天线波束扫描产生影响。该频选天线罩的优化方法可以用于更大尺寸阵列天线与频选天线罩的设计中。

参考文献：