金屬網(wǎng)反射面金屬絲接觸電流仿真分析

白 鶴，王五兔

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

隨著航天科技的發(fā)展，對于星載天線提出更嚴(yán)格的要求：波束更窄、增益更高。而這促使天線反射面的尺寸越來越大。由于發(fā)射體積和發(fā)射重量的限制，固體反射面已經(jīng)不再適用，可展開天線引起了人們的注意。金屬網(wǎng)作為反射面的金屬網(wǎng)反射面可展開天線由于其展縮比大、網(wǎng)面精度高等優(yōu)點而在航天項目中廣泛應(yīng)用。

與固體反射面相比，金屬網(wǎng)反射面展示出獨特的RF性能。這促使人們對其進行大量的研究，不僅分析金屬網(wǎng)反射面透射反射系數(shù)[1－3],還對金屬網(wǎng)反射面的無源互調(diào)特性進行研究[4－6]。

在文獻[2]中指出接觸點的接觸狀態(tài)對網(wǎng)狀反射面的電性能有顯著的影響，在文獻[4－6]中指出金屬絲接觸點是造成無源互調(diào)的主要源，而且通過接觸點的電流越大，產(chǎn)生的PIM就越大。但是尚未見有文章以其為研究對象。

本文中，以網(wǎng)狀反射面上金屬絲非理想接觸點接觸電流為研究對象。將金屬網(wǎng)看作周期結(jié)構(gòu)，利用Ansoft HFSS中的Floquet端口技術(shù)仿真求解，給出了接觸電流隨金屬網(wǎng)孔、接觸狀態(tài)及饋源信號入射角度的變化曲線。為設(shè)計金屬網(wǎng)反射面提供理論依據(jù)。

1 理論分析

金屬網(wǎng)反射面天線結(jié)構(gòu)一般如圖1所示，作為反射面的金屬網(wǎng)一般由鍍金鉬絲以一定的編織方式編織而成。最常見的編織方式有 single Atlas，single Satin，black tricot，平紋編織等。這里研究平紋編織。對于金屬網(wǎng)反射面上的任意接觸P，其切平面如圖2所示，為一個理想無限大二維周期結(jié)構(gòu)。以P為坐標(biāo)原點，建立坐標(biāo)系，圖中θi為饋源信號入射角度，Φi為極化角。

圖1 網(wǎng)狀反射面天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the metal mesh reflector antenna

圖2 平面無限大金屬網(wǎng)Fig.2 Plane wave incident upon a planar mesh with infiniteperiodic cell array

那么金屬網(wǎng)反射面上點P處的功率密度SP可以由式(1)表示，其中(θi，Φi）為饋源信號入射方向， Pr為饋源輻射功率，G(θi，Φi）為在(θi，Φi）方向的饋源增益。

由于一個周期單元的面積Acell很小，可以認(rèn)為在單元面上功率密度相等，因此在點P處去一周期單元，則該周期單元的入射功率為

這樣周期單元在曲面反射面上的位置既決定了饋源信號的入射角也決定了入射功率。圖3(a)給出了一個周期結(jié)構(gòu)單元，為兩交叉接觸金屬絲，a和b表示金屬網(wǎng)網(wǎng)孔的邊長，為了簡便假設(shè)a=b,即網(wǎng)孔為正方形。

圖3 平面周期單元兩金屬絲接觸示意圖Fig.3 Planar periodic cell and two metal wires contact

兩金屬絲之間的接觸如圖3(b)所示，假設(shè)接觸面為圓形，對于不同的接觸狀態(tài)，兩根金屬絲之間的接觸面積不同，對應(yīng)接觸半徑a也不同，接觸面記為SC。

接觸點處的接觸電流可以通過接觸面處的電流密度在接觸面上積分得到。兩金屬絲接觸區(qū)域的體電流密度為J，在接觸面SC上積分得到接觸電流。

2 仿真分析

網(wǎng)狀反射面上點p處接觸電流可以通過對其切平面接觸的接觸電流仿真得到，切平面為平面周期結(jié)構(gòu)，可以利用FSS的仿真分析方法來對金屬反射面天線進行分析。這里使用Ansoft公司的HFSS軟件，利用其Floquet端口仿真接觸點處的體電流密度，從而利用上述公式計算接觸電流。選取周期結(jié)構(gòu)中一個單元，在HFSS中建立模型如圖4所示。

圖4 金屬網(wǎng)周期單元仿真模型Fig.4 Metal mesh periodic cell model

參數(shù)選取如下：金屬絲半徑為15 μm，饋源輻射信號頻率2 GHz，極化角度Φ為60°，入射功率密度為0.036 666 7 W/mm2。得到仿真結(jié)果如下：

1)網(wǎng)孔大小對接觸電流的影響

網(wǎng)孔大小是金屬網(wǎng)反射面的一個重要參數(shù)，在研究網(wǎng)孔大小對接觸電流的影響時，假設(shè)金屬網(wǎng)的其他參數(shù)不發(fā)生變化。若饋源信號垂直入射，兩金屬絲接觸半徑為1 μm，入射信號為TE模和TM模時，接觸電流隨網(wǎng)孔大小的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 網(wǎng)孔大小對接觸電流的影響Fig.5 Contact current against mesh hole size

不管是入射信號TE模還是TM模，隨著金屬網(wǎng)網(wǎng)孔邊長的增加接觸電流近似線性增加。在網(wǎng)孔邊長超過4 mm時，會出現(xiàn)諧振情況，導(dǎo)致接觸電流劇烈變化。接觸電流過大會導(dǎo)致金屬網(wǎng)產(chǎn)生的無源互調(diào)電平過大，對于收發(fā)共用的金屬網(wǎng)反射面天線將造成巨大的干擾。而網(wǎng)孔過小，金屬網(wǎng)的重量劇烈增加，對于星載天線，發(fā)射成本劇烈增加。因此在選用金屬網(wǎng)反射面時應(yīng)選用合適的網(wǎng)孔大小。如在2 GHz時，選用網(wǎng)孔大小為2～3 mm最合適。

2)接觸狀態(tài)對接觸電流的影響

金屬絲與金屬絲之間的接觸狀態(tài)是金屬網(wǎng)反射面的另一個重要的參數(shù)[7]。這里接觸狀態(tài)利用接觸半徑來表征，接觸半徑越大，接觸狀態(tài)越良好，接觸半徑越小，接觸狀態(tài)越不良，當(dāng)接觸半徑為0時，表示不接觸。研究接觸狀態(tài)對于接觸電流的影響時，饋源信號垂直入射，網(wǎng)孔邊長為3 mm，入射信號為TE模和TM模時，接觸電流密度隨接觸半徑的變化曲線如圖6所示。

圖6 接觸半徑對接觸電流密度的影響Fig.6 Contact current density against contact radius

由圖6可以看出，入射信號為TE模和TM模時接觸電流變化趨勢相同，接觸電流密度隨著接觸半徑的增加先增大后減小，在接觸半徑為2～3 μm時，有峰值。決定金屬網(wǎng)上金屬絲接觸狀態(tài)的是金屬網(wǎng)的編織結(jié)構(gòu)和所施加的張力。因此在選用金屬網(wǎng)反射面時，應(yīng)該選用合適的編織結(jié)構(gòu)和張力大小，盡量避免接觸半徑為2～3 μm的接觸出現(xiàn)，這樣可以有效的降低由于接觸而引起的無源互調(diào)電平。

3)入射角度對接觸電流的影響

這里我們還對饋源信號入射角度對接觸電流的影響進行研究[8]。研究接觸電流隨饋源信號入射角度變換關(guān)系時，入射信號 TE模和 TM模，接觸半徑 1 μm，網(wǎng)孔邊長 3 mm，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 入射角度對接觸電流的影響Fig.7 Contact current against incident angle

由圖7可知，在入射角度小于20°時，接觸電流基本不隨入射角度變換。入射角度大于20°時，隨著入射角度的增加，TE模入射時，接觸電流減小；而TM模入射時，接觸電流增加。

3 結(jié)論

文章研究了金屬網(wǎng)反射面金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小、金屬絲之間的接觸半徑、饋源信號入射角度對金屬絲與金屬絲之間的接觸電流的影響。得到金屬網(wǎng)反射面上金屬絲接觸電流隨各因素的變化關(guān)系。為研究金屬網(wǎng)反射面天線無源互調(diào)特性及設(shè)計金屬網(wǎng)反射面天線提供了一定的理論指導(dǎo)。

[1]Jenn D C,Prata A,Rusch Jr W V T,et al.A resistive sheet approximation for mesh reflector antennas[J].IEEE Trans.Antennas Propag,1989(37):1484－1486.

[2]Imbriale W A,Galindo－Israel V,Rahmat－Samii Y.On the reflectivity of complex mesh surfaces[J].IEEE Trans.Antennas Propag,1991(39):1352－1365.

[3]Miura A,Rahmat－Samii Y.Spaceborne mesh reflector antennas with complex weaves:extended PO/periodic－MoM analysis[J].IEEE Transactionson Antennasand Propagation,2007,55(4):1022－1029.

[4]Turner G M.Passive intermodulation generation in wire mesh deployable reflector antennas[J].Mobile SatCom:Communications for People on the Move,1993,25.

[5]Teruaki ORIKASA,Kiyotaka UCHIMARU,et al.,Study on PIM performance generated at mesh reflector antenna[R].Technical Report of IEICE,Dec.2000.

[6]Lubrano V,Mizzoni R,et al.PIM Characteristics of the Large Deployable Reflector Antenna mesh[C].Proceedings of the 4th International Workshop on Multipactor,Corona and Passive intermodulation in Space RF Hard－ware,2003.

[7]肖笑.基于BCC算法的多機系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].陜西電力,2012（12）：51－54.XIAO Xiao.Optimal design of multi－machine power system stabilizer parameters based on bacterial colony chemotaxis algorithm[J].Shaanxi Electric Power,2012(12)：51－54.

[8]李軍浩，胡泉偉，吳磊，等.極化/去極化電流測試技術(shù)的仿真研究[J].陜西電力，2011(4)：1－5.LI Jun－h(huán)ao,HU Quan－wei,WU Lei，et al.Simulation study of polarization and depolarization current measurements technology[J].Shaanxi Electric Power,2011(4)：1－5.