頻率選擇表面在前門防護(hù)中的應(yīng)用

張 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原 713800）

頻率選擇表面在前門防護(hù)中的應(yīng)用

張 厚,舒 楠,李圭源,殷 雄

（空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原 713800）

為了提高雷達(dá)天線的抗帶外干擾能力,在傳統(tǒng)耶路撒冷環(huán)孔的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的新型帶通頻率選擇表面（FSS）。仿真計(jì)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(nèi)正常工作,而且可以有效抑制帶外的一些干擾信號(hào),在6～10 GHz工作頻帶內(nèi)的帶外抑制度達(dá)到20 dB,具有良好的前門防護(hù)效果。

雷達(dá)天線;頻率選擇表面;前門防護(hù);帶外干擾;基片集成波導(dǎo);傳輸系數(shù)

1 引 言

前門耦合主要指電磁脈沖或者微波能量通過目標(biāo)上的天線耦合到電子系統(tǒng)內(nèi)。各種地空雷達(dá)是高功率微波武器的主要打擊目標(biāo),其天線系統(tǒng)無疑成為高功率微波電磁能量的耦合前門。由于雷達(dá)接收天線的增益較高,進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的電磁脈沖功率很強(qiáng),比較容易破壞雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)的電子元件。通過使用天線罩可以更好地實(shí)現(xiàn)天線的性能,文獻(xiàn)[1,2]等進(jìn)行了相關(guān)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(gòu)成的一種二維周期陣列結(jié)構(gòu)[3],FSS技術(shù)廣泛應(yīng)用于天線和雷達(dá)罩等領(lǐng)域。帶通FSS結(jié)構(gòu)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(zhì)加載,呈現(xiàn)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(dá)艙的帶外隱身?；刹▽?dǎo)（SIW）[4]是近年來提出的一種新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu),具有插損低、輻射低、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于微波平面電路[5-7]。頻率選擇表面可以加載在雷達(dá)天線上,提高雷達(dá)天線的抗干擾能力[8]。

本文采用基片集成波導(dǎo)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種新型的頻率選擇表面,將之應(yīng)用到前門防護(hù)中,具有良好的前門防護(hù)效果,計(jì)算結(jié)果證明了其有效性。

2 理論依據(jù)

基片集成波導(dǎo)（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(tǒng)矩形波導(dǎo)的新型微波毫米導(dǎo)波結(jié)構(gòu),它等效于介質(zhì)填充波導(dǎo)。基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)兼顧了矩形波導(dǎo)傳輸損耗小、Q值高和微帶結(jié)構(gòu)成本低、加工簡單、易于平面集成的共同優(yōu)點(diǎn),在微波毫米波電路中得到了廣泛的應(yīng)用。圖1給出了SIW的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 SIW的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of SIW

矩形波導(dǎo)中導(dǎo)模無衰減傳播的最大波長為該導(dǎo)模的截止波長λc,導(dǎo)模在波導(dǎo)中能夠傳輸?shù)臈l件是工作波長要小于該導(dǎo)模的截止波長（λ<λc）。矩形波導(dǎo)中存在多種傳輸模式,如TEmn和TMmn,而在SIW結(jié)構(gòu)中,因?yàn)檎谑怯刹贿B續(xù)的金屬過孔構(gòu)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(jié)合Floquet理論計(jì)算了基片集成波導(dǎo)的散射特性,得到了TE10模和TE20模的截止頻率計(jì)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小（可以忽略）。Y.Cassivi還通過實(shí)驗(yàn)曲線擬合出了SIW的寬度a與等效矩形波導(dǎo)寬度aeff之間的轉(zhuǎn)換公式:

式（3）成立的前提是金屬化通孔間隔足夠小,此時(shí)計(jì)算結(jié)果的近似程度很好。實(shí)際上,aeff取決于a、p和d3個(gè)參數(shù),但是上式?jīng)]有包含d/a對(duì)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(duì)等效寬度的影響,可以得到更為精確的等效寬度表達(dá)式[10]:

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

在滿足上述尺寸條件下,SIW的電場(chǎng)分布如圖2所示,類似矩形波導(dǎo)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(gè)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(yīng)該小心對(duì)待。

圖2 基片集成波導(dǎo)中的電場(chǎng)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(tǒng)耶路撒冷方形環(huán)孔的基礎(chǔ)上,基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)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(zhì)RogersRT5880,厚度為1 mm,其中白色部分為縫隙。本文采用雙層FSS的設(shè)計(jì)。

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(shí)的傳輸響應(yīng)Fig.4 Transm ission response of the FSS with p lane wave normal incidence

由仿真曲線可知,本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的FSS加載在喇叭天線開口處,仿真計(jì)算加載天線的特性參數(shù)。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(nèi)（7.5～8.8GHz）,加載FSS后的喇叭天線也在此頻帶內(nèi)正常工作,但在FSS的通帶外喇叭天線的回波損耗就會(huì)較大,不能正常工作。這樣FSS就相當(dāng)于天線的一個(gè)帶通濾波器,可以有效控制雷達(dá)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(dá)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(huì)降低一些天線的增益,但對(duì)天線整體性能的影響不大,分析原因主要可能是FSS的介質(zhì)厚度較厚、介質(zhì)損耗較大造成的。

圖7 在8.5 GHz時(shí)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(dāng)于給雷達(dá)天線加了一個(gè)天線罩,這樣不僅能夠保證天線在通帶內(nèi)正常工作,而且可以有效地抑制帶外的一些干擾。由計(jì)算結(jié)果可知,在6～10GHz的工作頻帶內(nèi)帶外抑制能力達(dá)到20 dB,大大降低了帶外無用信號(hào)對(duì)天線的影響,具有較好的前門防護(hù)效果,而且工程實(shí)施起來相對(duì)方便。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)基片集成波導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析,設(shè)計(jì)了一種新型頻率選擇表面,將其運(yùn)用到前門防護(hù)中。仿真計(jì)算表明:使用頻率選擇表面能夠大大提高雷達(dá)天線的帶外抑制能力,而且不影響雷達(dá)天線的正常工作,帶外抑制度達(dá)到20 dB左右。本文主要是針對(duì)喇叭天線進(jìn)行的研究,而如何對(duì)其它天線進(jìn)行防護(hù)則是進(jìn)一步研究的課題。

[1] 李小秋,高勁松.一種適用于雷達(dá)罩的頻率選擇表面新單元研究[J].物理學(xué)報(bào),2008,57（6）:3802-3806.

LI Xiao-qiu,GAO Jin-song.A novel element of frequency selective surface for radome[J].Acta Physica Sinica,2008,57（6）:3802-3806.（in Chinese）

[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(xué)報(bào),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）

[3] MUNK BA.Frequency Selective Surfaces:Theory and Design[M].New York:John Wiley,2000.

[4] Yan L,Hong W,Wu K.Cui Investigationson the Propagation Characteristics of the Substrate Integrated Waveguide based on the Method of Lines[J].IEE Proceedings of Microwaves,Antennas and Propagation,2005,152（19）:35-42.

[5] DEALANDES D,WU K.Single-substrate integration techniques for planar circuits and waveguide filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques,2003,51（2）:593-596.

[6] YAN L,HONG W,HUA G.Simu lation and experiment on SIW slot array antennas[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letter,2004,14（9）:446-448.

[7] HAO Z-C,HON G W,CHEN X-P.Multilayered substrate integratedwaveguide（MSIW）elliptic filter[J].IEEE Microwave andWirelessComponents Letter,2005,15（2）:95-97.

[8] Stefania Monni.Frequency Selective Surface to Prevent Interference Between Radar and SATCOM antennas[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2009,11（8）:220-223.

[9] Cassiviand Y,Wu K.Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2002,12（9）:333-335.

[10] Feng Xu,Ke Wu.Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53（1）:66-73.

[11] Che Wenquan,LI Cuixia,W ANG Dapeng.Investigation on the ohmic conductor losses in substrate integrated waveguide and Equivalent Rectangular Waveguide[J].Journal of Electromagnetic Waves and Application,2007,21（3）:769-780.

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(dǎo)彈學(xué)院學(xué)士及碩士學(xué)位,于2003年獲西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,長期從事天線與電磁兼容領(lǐng)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(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)碩士研究生,主要從事電磁兼容領(lǐng)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(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,2008年于解放軍信息工程大學(xué)獲軍事學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)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(xué)工學(xué)學(xué)士及碩士學(xué)位,現(xiàn)為空軍工程大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)博士研究生,主要從事天線技術(shù)及電磁帶隙結(jié)構(gòu)的應(yīng)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.