FSS 天線罩在艦船 EMC 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

韓衛(wèi)國(guó)，郭興旺，楊　松

（1.中國(guó)人民解放軍91404 部隊(duì)，河北　秦皇島 066001；2.中國(guó)人民解放軍61936 部隊(duì)，海南　?？?571100）

FSS 天線罩在艦船 EMC 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

韓衛(wèi)國(guó)1，郭興旺1，楊松2

（1.中國(guó)人民解放軍91404 部隊(duì)，河北秦皇島 066001；2.中國(guó)人民解放軍61936 部隊(duì)，海南?？?571100）

為改善艦船的電磁兼容性，基于頻率選擇表面的空間濾波原理，分析頻率選擇表面天線罩在艦船上的應(yīng)用，設(shè)計(jì) 1 部工作在 X 波段的頻率選擇表面天線罩。仿真分析表明，該天線罩對(duì)通帶外的電磁波具有較好的濾波作用，同時(shí)能保證通帶內(nèi)電磁波的有效傳輸，可以作為改善電磁兼容性的措施應(yīng)用到艦船設(shè)計(jì)中。

艦船；電磁兼容；頻率選擇表面；天線罩

0　引　言

隨著艦船自動(dòng)化程度的提升，大量電子、電氣裝（設(shè)）備集中安裝在艦船狹小的空間內(nèi)，往往會(huì)對(duì)設(shè)備或人員產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。為解決這一問題，各國(guó)在艦船建造過(guò)程中廣泛開展了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）設(shè)計(jì)，在美國(guó)海軍艦船的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)和改裝中，已將電磁工程造船與輪機(jī)工程并列為影響艦船作戰(zhàn)能力的 3 項(xiàng)基本支柱［1-3］。隨著我國(guó)艦船裝備的建設(shè)發(fā)展，艦船的總體 EMC 設(shè)計(jì)也越來(lái)越引起裝備研制部門和軍方的重視。

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）是一種對(duì)電磁波具有選頻作用的空間濾波器。FSS 的這一空間濾波特性使其可以被應(yīng)用在艦船桅桿上的天線罩上，允許天線工作頻段內(nèi)的電磁波通過(guò)而阻擋其他頻段的電磁波進(jìn)入。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被西方發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用到艦船設(shè)計(jì)中，以提高艦船的隱身性和電磁兼容性［4-5］。

本文針對(duì) FSS 天線罩在艦船 EMC 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，并對(duì)工作在 X 波段的 FSS 天線罩進(jìn)行仿真分析。

1　FSS 天線罩的應(yīng)用

FSS 是一種二維周期結(jié)構(gòu)，它最本質(zhì)的特征就是能夠?qū)Σ煌l率、入射角及極化狀態(tài)下的電磁波呈現(xiàn)濾波特性，如圖1 所示。頻率選擇表面的周期單元大致分為 2 種類型，一種是金屬貼片，另一種是導(dǎo)體屏周期開孔（縫隙），通常 FSS 需要介質(zhì)層支撐和覆蓋。當(dāng)頻率選擇表面的諧振單元處于諧振狀態(tài)時(shí)，處于諧振頻率的電磁波被全反射（單元為貼片型）或全透射（單元為縫隙型）。頻率選擇表面在降低重要回波源的雷達(dá)反射截面（RCS）方面具有廣泛的應(yīng)用，這使其成為近幾十年來(lái)電磁學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［4-7］。

FSS 最重要的一個(gè)應(yīng)用就是在飛機(jī)、導(dǎo)彈前端的天線罩上，用帶通型 FSS 制作成隱身天線罩，以降低雷達(dá)工作帶外的 RCS。圖2 為理想 FSS 天線罩的工作情況：飛行器（飛機(jī)或者導(dǎo)彈）前端的雷達(dá)天線被具有帶通濾波特性的 FSS 天線罩罩住，在雷達(dá)工作頻段內(nèi)，電磁波將不受阻礙地通過(guò)天線罩，而在工作頻段外，天線罩對(duì)于入射電磁波是“不透明”的，大部分的入射波會(huì)由于罩體的形狀沿雙站方向反射，從而達(dá)到降低帶外 RCS 的目的［4］。

圖1　頻率選擇表面Fig.1　Frequency selective surface

圖2　理想帶通天線罩Fig.2　Band-pass radome

飛機(jī)和衛(wèi)星上有同時(shí)工作在不同頻段的多部天線，如圖3 所示，帶通、帶阻或者多頻帶的 FSS 在這些武器裝備上都具有廣泛的應(yīng)用前景［8］。

通過(guò)對(duì) FSS 天線罩的分析可以自然地想到它的另外一個(gè)重要用途——覆蓋安裝在艦船桅桿上的天線，阻止非工作頻段的信號(hào)通過(guò)而允許有用信號(hào)通過(guò)，如圖4所示。

上述應(yīng)用在艦船上的 FSS 天線罩作為集成天線桅桿技術(shù)的一部分被應(yīng)用到艦船電磁兼容設(shè)計(jì)中，這相當(dāng)于將傳統(tǒng)的濾波技術(shù)通過(guò) FSS 天線罩的方式應(yīng)用到天線外面，在提高艦船隱身性能的同時(shí)也能起到改善總體電磁兼容性的作用。

圖3　飛機(jī)和衛(wèi)星上的共形天線罩Fig.3　Confamal radome on airplane and satellite

圖4　艦船上的 FSS 天線罩Fig.4　FSS radome on ship

2　FSS 天線罩仿真

本文通過(guò) 1 個(gè)仿真的 FSS 天線罩來(lái)分析其濾波作用。建立 1 部工作在 X 波段的拋物面天線模型，用角錐喇叭作饋源；為該拋物面天線設(shè)計(jì)帶通 FSS 天線罩，采用普通圓環(huán)單元，圓環(huán)半徑 4.46/4.71 mm，單元周期 15 mm，介質(zhì)襯底厚 2 mm，εr=2.0，tan δ=0.000 2，最終得到的 FSS 隱身天線罩上共有 998 個(gè)圓環(huán)縫隙單元，如圖5 所示。

對(duì)該模型進(jìn)行仿真，得到其在 9.375 GHz 的方向圖，如圖6 所示。從方向圖的對(duì)比中可看到，F(xiàn)SS 天線罩使天線的主瓣增益下降，旁瓣電平升高，這是由于 FSS 陣列在大角度入射情況下諧振頻率漂移導(dǎo)致9.375 GHz 的電磁波發(fā)生衰減造成的，通過(guò)改進(jìn) FSS 設(shè)計(jì)可使這種情況得到避免。

圖5　拋物面天線-FSS 天線罩模型Fig.5　Parabolic antenna-FSS radome

圖6　加FSS天線罩與無(wú)罩天線方向圖對(duì)比Fig.6　Patterns of parabolic antenna-FSS radome and parabolic antenna

3　結(jié)果分析

不同角度入射下 FSS 天線罩在 9.375 GHz 附近的功率傳輸系數(shù)如圖7所示。從圖中可看出，最壞的情況是TE模式，60° 入射時(shí)，F(xiàn)SS 陣列的傳輸系數(shù)在 0.8左右，除此之外，其在設(shè)計(jì)頻率（9.375 GHz）處的傳輸系數(shù)均接近于 1，可以保證天線工作頻率的電磁波很好地透過(guò)。

圖7　不同角度入射下通帶內(nèi)電磁波的功率傳輸系數(shù)Fig.7　Power conversion in band at different incident angles

不同角度入射下 FSS 天線罩在天線工作頻率之外的功率傳輸系數(shù)如圖8所示。 從圖中可看出，除過(guò)30° 入射的 TE 模式在 14.3 GHZ 附近出現(xiàn)了一個(gè)柵瓣，導(dǎo)致功率傳輸系數(shù)的跳變之外，其他情況的功率傳輸系數(shù)均能穩(wěn)定地保持在 0.3 以下。

對(duì)上述仿真結(jié)果的分析表明，F(xiàn)SS 天線罩對(duì)通帶外的電磁波具有較好的濾波作用，同時(shí)能保證通帶內(nèi)的電磁波有效傳輸，可以作為改善電磁兼容性的措施應(yīng)用到艦船電磁兼容設(shè)計(jì)中。

圖8　通帶外的功率傳輸系數(shù)Fig.8　Power conversion out of band at different incident angles

4　結(jié)　語(yǔ)

電磁兼容是影響艦船作戰(zhàn)能力生成的一個(gè)重要問題，F(xiàn)SS 的空間濾波特性使其能被應(yīng)用在天線罩上以提高艦船的電磁兼容性。本文對(duì)工作在 X 波段的 FSS天線罩進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，分析結(jié)果表明其能夠起到較好的濾波作用。

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Research on the application of FSS radome in the design of warship EMC

HAN Wei-guo1，GUO Xing-wang1，YANG Song2
（1.No.91404 Unit of PLA，Qinhuangdao 066001，China；2.No.61936 Unit of PLA ，Haikou 571100，China）

In order to improve the electromagnetic compatibility of the warship，the application of frequency selective surface radome in warship is analyzed based on its spatial filtering characteristics，a frequency selective surface radome works in X-band is designed，the simulation result shows that the radome has a good filtering effect on the electromagnetic wave，which can be used in the design of warship electromagnetic compatibility.

warship；EMC；FSS；radome

U665

A

1672-7619（2016）06-0147-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.030

2015-09-14；

2016-01-06

韓衛(wèi)國(guó)（1965-），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗媾灤鲬?zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)。