應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的頻率選擇表面研究與設(shè)計(jì)

任 丹,易 波,陳鵬宇

(解放軍31307部隊(duì),四川 成都 610000)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航在人們生活中起著越來(lái)越重要的作用[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),在我國(guó)國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[2]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)L波段(1 615 MHz、1 561 MHz)用于發(fā)送短報(bào)文信息,S波段(2 491 MHz)用于接收定位信息或短報(bào)文信息[3-4]。

導(dǎo)航信號(hào)達(dá)到地面的功率通常在-160 dBW以下,極易受到鄰頻通信與雷達(dá)信號(hào)干擾[5]。WLAN信號(hào)、蜂窩移動(dòng)通信4G信號(hào)、S波段警戒雷達(dá)信號(hào)與S波段北斗導(dǎo)航接收信息頻段相近,特別是在大量用頻裝備集中在有限空間時(shí),對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的干擾(帶內(nèi)與帶外)無(wú)法忽略,因此需重點(diǎn)開展兼容性設(shè)計(jì)[6]。

本文瞄準(zhǔn)北斗導(dǎo)航工作頻段兼容性需求,設(shè)計(jì)了一款具有高選擇濾波特性的基于頻率選擇表面(FSS)天線罩,在有效濾除導(dǎo)航接收信息頻段帶外干擾的同時(shí),不影響導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射報(bào)文信息。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的FSS需要在L波段1.57 GHz附近和S波段2.491 GHz附近均擁有傳輸通帶和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,才能保證所設(shè)計(jì)的FSS不影響北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正常的工作。為排除帶外頻段用頻干擾,在2個(gè)通帶之外,應(yīng)為阻帶。在滿足上述要求條件下,使FSS厚度盡量薄,擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

帶通型FSS基本電路模型一般為電感電容(LC)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),即金屬層等效電路為等效電感與等效電容并聯(lián),在金屬層上實(shí)際為金屬縫隙結(jié)構(gòu)[7]。每個(gè)通帶至少對(duì)應(yīng)1個(gè)傳輸極點(diǎn)與1個(gè)傳輸零點(diǎn)[8]。針對(duì)北斗導(dǎo)航應(yīng)用的FSS擁有2個(gè)傳輸通帶,則至少包括2個(gè)傳輸極點(diǎn)與2個(gè)傳輸零點(diǎn)。

選擇合適的單元結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)FSS的首要步驟。FSS常見(jiàn)單元結(jié)構(gòu)包括環(huán)形、貼片型及其組合。雙偶極子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特性原理清晰、易于集成等特點(diǎn),在微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[9-10]。

本文瞄準(zhǔn)北斗2個(gè)通帶與阻帶設(shè)計(jì)目標(biāo),以雙偶極子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)目標(biāo)FSS單元結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步縮減單元尺寸,增強(qiáng)角度穩(wěn)定性,在雙偶極子基礎(chǔ)上,利用曲流技術(shù),將偶極子折疊[11]。所設(shè)計(jì)的FSS單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中,FSS單元結(jié)構(gòu)由單個(gè)雙偶極子依次旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°構(gòu)成。

圖1 FSS單元結(jié)構(gòu)圖

2 FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為設(shè)計(jì)出滿足要求的頻率選擇結(jié)構(gòu),對(duì)FSS單元結(jié)構(gòu)在2個(gè)頻段處的電流流動(dòng)情況進(jìn)行了分析。圖2給出了FSS單元結(jié)構(gòu)表面電流流動(dòng)路徑。從圖2(a)中可以看出,在1.568 GHz頻點(diǎn),電流主要沿著電長(zhǎng)度長(zhǎng)枝節(jié)邊沿流動(dòng);從圖2(b)中可以看出,在2.95 GHz頻點(diǎn),電流在2個(gè)支路上同向流動(dòng),兩枝節(jié)相互作用,等效縮短了電流流動(dòng)路徑。上述現(xiàn)象說(shuō)明,每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變均會(huì)影響FSS高端通帶頻率,FSS低端頻率則主要由電長(zhǎng)度較長(zhǎng)枝節(jié)決定。

經(jīng)綜合優(yōu)化,得到所設(shè)計(jì)的FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,此時(shí)FSS傳輸特性如圖3所示。從圖3中可以看出,在1.568 GHz和2.95 GHz 2個(gè)頻點(diǎn)附近為傳輸通帶,在2個(gè)傳輸通帶之間,存在1個(gè)清晰的阻帶,能夠有效實(shí)現(xiàn)電磁兼容,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 FSS傳輸系數(shù)

3 FSS與導(dǎo)航天線復(fù)合仿真分析

以常見(jiàn)工作于1.568 GHz頻點(diǎn)處導(dǎo)航天線(模型如圖4所示)為例,仿真分析所設(shè)計(jì)的FSS天線罩對(duì)導(dǎo)航天線性能的影響。圖5給出了導(dǎo)航天線S11參數(shù)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),導(dǎo)航天線除了在1.568 GHz處存在通帶外,在2.405 GHz處也存在通帶,給帶外電磁干擾提供了耦合路徑。

圖4 導(dǎo)航天線模型

圖5 天線S11曲線圖

圖6展示了加載FSS天線罩前后,天線的軸比變化。從圖6中可以看出,加載FSS天線罩后,導(dǎo)航天線軸比性能有所提升。

圖6 天線罩加載前后軸比變化

圖7展示了加載FSS天線罩前后,天線增益的變化。從圖中可以看出,加載FSS天線罩后,導(dǎo)航天線增益基本無(wú)變化。

圖7 天線罩加載前后增益變化

圖8展示了當(dāng)頻率為2.405 GHz的平面波入射時(shí),FSS天線罩加載前后,天線端口輸出電壓相對(duì)幅度的變化情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)加載天線罩后,天線端口接收信號(hào)幅度明顯降低,最高屏蔽效能可達(dá)到18 dB。

圖8 FSS天線罩加載前后天線端口在2.405 GHz接收波形變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文瞄準(zhǔn)提升北斗導(dǎo)航天線電磁兼容性目標(biāo),設(shè)計(jì)了一款基于FSS的天線罩。結(jié)合常見(jiàn)導(dǎo)航天線,利用CST電磁仿真軟件,仿真分析了加載FSS天線罩前后,天線軸比、S11、增益等性能的變化情況。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的FSS天線罩對(duì)天線性能影響較小。進(jìn)一步仿真分析了在頻率為2.405 GHz平面波輻照下,天線端口接收波形的變化。結(jié)果表明,FSS天線罩對(duì)帶外干擾有明顯抑制效能。