金屬平板對陣列天線端射特性的影響

黃龍水，熊海亮，宋東安

(1．海軍裝備部駐701 所軍事代表室，湖北 武漢430064;2．中國艦船研究設計中心 電磁兼容性重點實驗室，湖北 武漢430064)

0 引 言

在實際應用中，陣列天線通常布置在金屬平板上，金屬板的反射效應雖然增強了陣列天線的前向輻射，但可能改變陣列天線的端射特性。在多個陣列天線布置中，為了控制彼此之間的電磁干擾，需要分析研究陣列天線的端射特性，并根據陣列天線的端射特性來指導陣列天線的布置［1］。關于金屬板對陣列天線輻射特性的影響已有許多相關的研究工作。Ramounen 等對放置在金屬平板附近的薄帶天線進行試驗研究［2］，Lingfei 等對放置在金屬平板上的偶極子天線的傳輸效率進行了研究［3］，而文獻［4－5］對金屬平板附近的類似于折疊環天線和其他類型的天線進行了研究。本文對置于金屬平板上印刷振子陣列天線的端射特性的影響進行仿真研究，通過研究表明，由于金屬板的反射效應，使其在H 面的端射小于E 面的，并且這種特性與陣列天線的掃描特性的相關性較小。利用陣列天線的這種端射特性可以指導陣列天線的布置。

1 模型建立

為研究金屬板對陣列天線端射特性的影響，建立如圖1所示的陣列模型。該模型中坐標軸位于陣列中心，即距離上端4 行和距離左端4 列。該模型是由8 行8 列共64 個陣元組成的一個平面陣列，選取64 陣元陣列天線得原因是既可兼顧計算量，同時又表征出陣列的輻射特性。該模型中陣元沿x 軸和y 軸的間距分別為dx=λ/2 和dy=λ/2，且陣元饋點的高度為h=λ/4 。陣元采取目前常用的三角形柵格排布方式，這種排列方式具有節省陣元等優點。為了模擬陣列天線的實際布置狀況，將陣列布置在一個無窮大的理想金屬面上，這樣做的好處:一是在仿真計算時可以采用鏡像原理而節約計算資源;二是無需考慮有限金屬板的邊緣繞射效應。其中的陣元模型如圖2所示(L1=1.7 cm，L2=2.8 cm，L3=1.8 cm，L4=0.65 cm)。

圖1 陣列模型示意圖Fig.1 The printed dipole array sketch map

圖2 陣元模型Fig.2 The model of printed dipole antenna

根據圖1 和圖2，采用商用電磁仿真軟件FEKO建立如圖3所示的電磁模型。該模型中陣元的饋電點位于2 個對稱端的中間，這種饋電方式保證了陣元方向圖的對稱性。經過多次嘗試，選取的網格剖分長度為λ/8，這樣做既可以保證陣元上網格的對稱性，也能保證無奇異網格。為了研究陣列的端射特性，選取高度為h=λ/4(即饋點高度)的端射方向作為計算區域。

為研究陣列掃描對端射特性的影響，根據陣列掃描理論對每個陣元進行相位賦值，以滿足需要的掃描狀態［6］。假設x 軸方向上的陣元數為m且陣元間距為dx，當波束在xoz 平面(或H 面)進行線性掃描時，相鄰陣元間的相位差為φx=。同理，當波束在yoz 平面(或E 面)進行線性掃描時，y 軸方向上相鄰陣元間的相位差為。顯然，當波束在全空間掃描時，各陣元的相位差為

圖3 陣列模型Fig.3 The model of printed dipole array

式中:θ 和φ 為球坐標系中的角坐標，即θ 是波束與z 軸的夾角;φ 為波束在xoy 面的投影與x 軸的夾角。可以根據掃描狀態對應的θ 和φ，按上式計算出每個陣元的掃描相位并逐一賦值和計算。

2 仿真結果分析

基于上述模型分別計算有無金屬板時非掃描和掃描狀態下的端射方向圖。為了便于分析，對不同情況下印刷振子陣列端射特性進行研究。

1)波束不掃描

在波束不掃描的情況下，為了分析水平金屬平板對印刷偶極子陣列端射特性的影響，圖4 給出了有無金屬板時的端射方向圖，其中實線表示有金屬平板時的端射方向圖，而另一條虛線則表示沒有金屬平板時的端射方向圖。從圖中可看出，所求區域場強值在φ=0°，180° 方向上，無金屬平板時的場強值遠大于有金屬平板時的場強值;而在φ=90°，270° 方向上，無金屬板時的場強值遠小于有金屬板時的場強值。這是由于陣列輻射在金屬板上產生的表面電流造成的，表面電流會在空間各個方向產生二次輻射場，二次輻射在幅值上與直射場近似相等，相位上相反。由以上分析可知，在φ=0°，180° 方向上，直射場與二次輻射場是反相疊加而近似為0;在φ=90°，270° 的方向上，直射場較小，而二次輻射場較大，雖然二者是反相疊加，但二次輻射場還是起主要作用。

圖4 有無金屬平板時仿真結果對比Fig.4 Comparison of the simulation result with the situation of existing metal plate and without metal plate

2)波束掃描

在實際中，波束掃描角一般應小于45°，但若掃描角太小，這時掃描對端射特性的影響不顯著，則無法準確描述掃描的影響，因此選取的掃描角為30°。圖5 中2 個曲線分別表示無掃描和掃描角為θ=30° 和φ=0° (即波束在xoz 平面掃描)時所計算區域的端射方向圖。圖6 中2 個曲線分別表示無掃描和掃描角為θ=30°和φ=90°(即波束在yoz 平面掃描)時所計算區域的端射方向圖。從圖5 可看出，波束在x 方向的掃描沒有使x 方向的輻射增加，但使y 方向的主瓣產生了分裂，產生了明顯的4 個主瓣，主瓣與y 軸的夾角約20°;從圖6可看出波束在y 方向掃描時的端射方向圖與無掃描時基本相同，但在掃描方向(270°)的電平較之其反方向(90°)增大了約5 dB。這表明波束在yoz 平面掃描時，對端射方向(x 方向)的輻射基本沒有影響。

圖5 有無掃描時仿真結果對比(其中掃描時θ=30°和φ=0°)Fig.5 Comparison of the simulation result with scanning and without scanning (while scanning angle are θ=30°，φ=0°)

圖6 有無掃描時仿真結果對比(其中掃描時θ=30°和φ=90°)Fig.6 Comparison of the simulation result with scanning and without scanning (while scanning angle areθ=30°，φ=90°)

3 結 語

基于上述仿真結果，研究金屬平板對印刷振子陣列的端射特性的影響。由于金屬平板上感應電流產生的二次輻射，所求區域場強值在H 面方向上，無金屬平板時的場強值遠大于有金屬平板時的場強值;而在E 面方向上，無金屬板時的場強值遠小于有金屬板時的場強值，這是由于金屬板的反射效應改變了陣列在端射方向上的輻射特性。研究陣列工作于掃描狀態下對端射特性的影響，結果表明陣列天線的掃描對端射特性的影響很小。

［1］張光義，趙玉潔．相控陣雷達系統［M］．北京:電子工業出版社，2006．

ZHANG Guang-yi，ZHAO Yu-jie．Principles of phased array radar［M］．Beijing:National Defence Industrial Press，1994．

［2］RAUMONEN P，SYDANHEIMO L，UKKONEN L，KESKILAMMI M，KIVIKOSKI M．Folded dipole near metal plate［J］．IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，2003(6):848－851．

［3］LINGFEI M，HONGJIAN Z．RFID antenna near the surface of metal［J］．IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，2007(8):803－806．

［4］NAKANO H，NAKAYAMA K．A curved spiral antenna above a conducting cylinder［J］．IEEE Trans．Antenna and propagation，1999，47(1):3－8．

［5］HASSAN M A．Numerical modelling technique for the radiation of wire antennas near conducting surfaces［J］．IEE Proceeding H，1911，138(3):225－232．

［6］薛正輝，李偉明，任武．陣列天線分析與綜合［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011．