金屬擋板對共面天線隔離效應的試驗研究?

王松潔 冀 航

（中國艦船研究設計中心 武漢 430000）

1 引言

目前出于艦船隱身性能的考慮，越來越多的天線采用平面化的設計，以嵌入船體開口的形式安裝，使得天線口面與船體外壁共面。這些嵌入安裝的天線彼此共面時，為了保障相互之間的電磁兼容性［1］，需要采用新的隔離技術能來改善天線間的隔離度。

目前可以采用的新的隔離方法有涂敷吸波材料［2～4］，EBG 電磁材料阻隔［5～7］，屬擋板阻隔［8～10］等方法。本文主要研究金屬擋板對陣面天線的隔離情況，金屬擋板在對電磁波產生遮擋，改變傳播方向和特性的同時，也會讓電磁波產生繞射效應。國內外針對金屬擋板的電磁效應已經做了一定的研究，黃龍水［8］研究了金屬平板對陣列天線端射特性的影響，研究表明由于金屬擋板的反射效應，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。宋東安等對自由空間下雙葉擋板［9］和菲涅爾圓盤［11］的遮擋效應進行了理論和試驗研究。隨后又在此基礎上通過理論和仿真研究［10］了陣面天線間垂直安裝擋板時，在平面波照射的擋板后方區域陰影區域場強的影響因素。國防大學呂波［12］采用U形金屬擋板，有效地抑制了陣面天線間的耦合，給應用提供了指導。

從目前研究現狀看，關于擋板高度共面天線間的隔離度影響，還未通過試驗進行驗證。因此本選取一種典型的共面天線布置方案，采用模擬試驗研究金屬擋板垂直安裝共面天線間時，不同高度金屬擋板對共面天線隔離效應的試驗研究。

2 理論分析

為了定性分析金屬擋板對共面天線的隔離效果，可以研究均勻平面波照射后擋板后方P點的場強變化來，研究擋板對天線的隔離效果，圖中Q點為電磁波在金屬表面的反射點。

圖1 平面波照射擋板示意圖

如圖當均勻平面波照射擋板時，擋板后方P點的場強為兩部分組成，一個為散射波Ud和反射波Ur：

式中：xh為擋板高度，xp為P點高度的，ZQ為反射點距離擋板的水平方位上的距離，Zp為P點到擋板的水平方位上的距離，r為P和Q兩點的距離，

上式表明：P點的場強由兩部分組成，兩部分的合成場強值大小與相位密切相關，當xh?xp時，上式子兩個積分的相位和幅度基本相同，因此兩者的相位差主要由繞射波和反射波的路程差決定［10］。另外由菲涅爾積分可知，當xh越大，積分的值越小，所以增加高度可以減小P點的場強。

3 試驗及結果分析

為了驗證理論分析，采用試驗的方法來研究高度對共面天線間隔離度影響，本文中隔離度通過傳輸系數S21來衡量。在金屬擋板隔離試驗中，采用兩副喇叭天線模擬收發共面天線，發射方向與天線的安裝面垂直（天線安裝面為金屬結構），喇叭口與天線安裝面處于同一平面上。金屬擋板垂直于天線安裝面，金屬擋板為與接收天線上方90cm，天線間間距為4.5m。試驗測量收發天線間傳輸系數S21，用于衡量天線間的隔離情況。試驗期間整個測試系統的收發狀態固定，保證試驗結果在同一基準電平上進行對比分析。

圖2 測試系統架構示意圖

圖3 2GHz～10GHz安裝3cm高度擋板后S21對比

圖4 2GHz～10GHz安裝10cm高度擋板后S21對比

由圖中可知道，對于 4GHz，5GHz，6GHz，擋板高度由3cm變成10cm隔離度提升了5dB～6.8dB，10cm到30cm隔離度提升了3dB～4.4dB，當擋板高度繼續提升至50cm，隔離度度增加并不顯著。原因是在此頻段內，30cm擋板以及能夠擋住大部分的電磁波。

圖5 2GHz～10GHz安裝30cm高度擋板后S21對比

圖6 2GHz～10GHz安裝50cm高度擋板后S21對比

表1 不同頻率處S21隨著擋板高度變化情況表

從圖中可以看出，擋板高度增加，隔離度增大。為了進一步定量的研究，隔離度隨著擋板高度（電長度 h/λ）變化情況，選取4GHz，5GHz和6 GHz研究高度與?S21關系如下：

圖7 不同頻率?S21隨著擋板高度變化情況

表2 不同頻率處?S21隨著擋板高度變化表

由圖可知，隔離度隨電長度變化趨勢基本一致，擋板電長度從0～1.6變化時，隔離度提升較為顯著，達到6dB/λ，當電長度增大到4λ以后，隔離度提升了10dB左右，進一步增大高度后隔離度提升不夠明顯，結論和以上的分析相吻合。

4 結語

以上采用喇叭天線垂直于安裝面，能夠模擬陣面天線實際工作狀態下，不同高度擋板對天線隔離的效果。通過試驗可以分析，擋板的高度需要根據需求進行具體的設計。在采用圖1的安裝位置下，擋板高度采用4λ，能夠抑制大部分的電磁波，提升天線隔離10dB左右。

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［12］呂波，鄭秋容，袁乃昌.一種改善雷達收發隔離的新方法［J］.系統工程與電子技術，2008，30（8）：1595-1597.