频选天线罩对阵列天线波束扫描特性影响分析

莫熠，奚秀娟*,2，陈亮,2，吴为军,2，王冬冬,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

通信天线通常工作在暴露的环境中，容易受到外部环境的不利影响，导致天线的工作寿命与精度降低[1]。在天线外部安装天线罩能够有效保护天线，同时加载有频率选择表面（FSS）的天线罩还将拥有空间滤波的特性，能确保阵列天线在正常工作的同时还能降低系统的雷达散射截面（RCS）[2-3]。然而频选天线罩作为一种位于天线近场区域的有限大结构，会对天线的电性能造成不利影响，会使天线主波瓣指向发生偏移，产生扫描误差。通过对频选天线罩的优化设计，可以避免其对阵列天线造成的不利影响[4-7]。

有相关学者对带有频选天线罩的阵列天线的辐射特性进行了研究，取得了一些成果。但是，Sun等[8-10]由于忽略了对频选天线罩与天线间距离的优化，导致频选天线罩对天线的辐射方向图产生了较大影响。Chen等[11-12]由于频选天线罩的尺寸过小，不能完全覆盖天线大角度辐射波束，导致天线的辐射方向图出现了畸变现象。

本文将设计一款工作于S波段的5×5阵列天线和一款适用于该频段的宽带耶路撒冷十字架（Jerusalem）频选天线罩。首先，以频选天线罩对阵列天线扫描角度影响较小为约束条件，优化设计频选天线罩尺寸以及频选天线罩与阵列天线间的距离；然后，借助仿真软件HFSS对频选天线罩与阵列天线系统进行仿真分析。

1 频选天线罩的设计

频选天线罩的单元形式与频选单元的等效电路如图1所示，频选天线罩单元印刷在厚度为0.5 mm、相对介电常数为3的介质板上。图1中：a为频选外振子的长度；b为频选内振子的长度；c为频选外振子的宽度；s为频选内振子的宽度；L为频选的单元尺寸；L1为频选的等效电感；C1为频选的等效电容；a的尺寸对应于电路中的电感值，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。

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。

当阵列天线进行波束扫描时，有大角度波束照射频选天线罩的情况，因此需要确保频选天线罩在拥有大角度入射波束时仍具有较好的阻抗带宽以及滤波能力。图3为入射角度分别为0°，20°和40°时频选天线罩的反射系数曲线。从图中可以看出，随着入射角度的增大，频选阻抗带宽有一定的减小；当入射角度达到40°时，频选的谐振频率仍保持3.25 GHz不变，低于-10 dB的阻抗带宽减少至约460 MHz（3.08～3.50 GHz），仍能覆盖天线的工作带宽。该频选单元经优化后的尺寸如表1所示。

表 1 频选尺寸Table 1 Size of FSS

图 4 带有频选天线罩的阵列天线Fig. 4 Array antenna with FSS radome

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。

2 频选天线罩对阵列天线辐射的影响

为验证该频选天线罩对阵列天线波束扫描指向的影响，分别仿真了阵列天线扫描角度为0°，20°和40°时，无频选天线罩阵列天线与有频选天线罩阵列天线方向图，如图7所示。从图中可以看出，当阵列天线扫描角度较小时，和单独阵列天线相比，带有频选天线罩的阵列天线主瓣增益与半功率波束宽度均未发生变化，副瓣增益出现了一定的波动，波束指向出现了约0.05°的偏差；当扫描角度达到40°时，带有频选天线罩的阵列天线主瓣增益降低了约0.3 dB，且扫描角度偏差增大至约0.25°。可见加入频选天线罩后，阵列天线的波束扫描指向不会发生明显变化，说明经过优化设计的频选天线罩不会对阵列天线辐射性能产生影响。

图 7 不同波束扫描角度时FSS与阵列天线的方向图Fig. 7 FSS/antenna system gain pattern for different scan angles

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。

图 8 频选材料与测试环境Fig. 8 FSS material and test environment

图 9 频选样件插入损耗的仿真与测试结果对比Fig. 9 Comparison of simulation and test results of FSS sample insertion loss

图10为频选天线罩对阵列天线扫描角度影响的测试结果。由图可看出，当扫描角度在0°～20°范围内时，频选天线罩对阵列天线最多产生约0.10°的扫描误差；当扫描角度达到40°时，该频选天线罩对阵列天线产生的扫描误差增大至约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。

图 10 不同波束扫描角度时FSS与阵列天线的方向图测试与仿真结果对比Fig. 10 Comparison of test and simulation results of FSS/antenna system gain pattern for different scan angles

3 结 语

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。