金屬網反射面金屬絲接觸電流仿真分析

白 鶴，王五兔

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安710100）

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

與固體反射面相比，金屬網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，不僅分析金屬網反射面透射反射系數[1－3],還對金屬網反射面的無源互調特性進行研究[4－6]。

在文獻[2]中指出接觸點的接觸狀態對網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的主要源，而且通過接觸點的電流越大，產生的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。將金屬網看作周期結構，利用Ansoft HFSS中的Floquet端口技術仿真求解，給出了接觸電流隨金屬網孔、接觸狀態及饋源信號入射角度的變化曲線。為設計金屬網反射面提供理論依據。

1 理論分析

金屬網反射面天線結構一般如圖1所示，作為反射面的金屬網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構。以P為坐標原點，建立坐標系，圖中θi為饋源信號入射角度，Φi為極化角。

圖1 網狀反射面天線結構示意圖Fig.1 Structure of the metal mesh reflector antenna

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

那么金屬網反射面上點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)給出了一個周期結構單元，為兩交叉接觸金屬絲，a和b表示金屬網網孔的邊長，為了簡便假設a=b,即網孔為正方形。

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，假設接觸面為圓形，對于不同的接觸狀態，兩根金屬絲之間的接觸面積不同，對應接觸半徑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構，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。選取周期結構中一個單元，在HFSS中建立模型如圖4所示。

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

參數選取如下：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。得到仿真結果如下：

1)網孔大小對接觸電流的影響

網孔大小是金屬網反射面的一個重要參數，在研究網孔大小對接觸電流的影響時，假設金屬網的其他參數不發生變化。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，接觸電流隨網孔大小的變化關系如圖5所示。

圖5 網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，隨著金屬網網孔邊長的增加接觸電流近似線性增加。在網孔邊長超過4 mm時，會出現諧振情況，導致接觸電流劇烈變化。接觸電流過大會導致金屬網產生的無源互調電平過大，對于收發共用的金屬網反射面天線將造成巨大的干擾。而網孔過小，金屬網的重量劇烈增加，對于星載天線，發射成本劇烈增加。因此在選用金屬網反射面時應選用合適的網孔大小。如在2 GHz時，選用網孔大小為2～3 mm最合適。

2)接觸狀態對接觸電流的影響

金屬絲與金屬絲之間的接觸狀態是金屬網反射面的另一個重要的參數[7]。這里接觸狀態利用接觸半徑來表征，接觸半徑越大，接觸狀態越良好，接觸半徑越小，接觸狀態越不良，當接觸半徑為0時，表示不接觸。研究接觸狀態對于接觸電流的影響時，饋源信號垂直入射，網孔邊長為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。決定金屬網上金屬絲接觸狀態的是金屬網的編織結構和所施加的張力。因此在選用金屬網反射面時，應該選用合適的編織結構和張力大小，盡量避免接觸半徑為2～3 μm的接觸出現，這樣可以有效的降低由于接觸而引起的無源互調電平。

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系時，入射信號 TE模和 TM模，接觸半徑 1 μm，網孔邊長 3 mm，仿真結果如圖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 結論

文章研究了金屬網反射面金屬網網孔大小、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。得到金屬網反射面上金屬絲接觸電流隨各因素的變化關系。為研究金屬網反射面天線無源互調特性及設計金屬網反射面天線提供了一定的理論指導。

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