基于有源頻率選擇表面的衛導天線抗干擾研究*

成 鄭 韓金良

（1.海裝上海局駐上海地區第一代表室 上海 202150）（2.天津航海儀器研究所 天津 300131）

1 引言

衛星導航系統利用人工衛星發射一定形式和頻段的精確無線電導航信息，接收機接收多顆衛星信息并進行解算，可以在任意時刻、任意地點，為任何人提供準確的經緯坐標、速度及時間信息[1～2]。由于接收機相距人造衛星較遠，因此通過長距離信號的衰減接收到的衛星信號功率已經十分微小，且衛星信號往往處于特定的載波頻率，特別容易受到來自外界壓制干擾或者欺騙干擾的影響而失去導航定位功能[3～6]。因此，開展衛星導航系統的抗干擾研究具有非常重要的意義。

天線抗干擾是衛星導航系統接收機的一項重要抗干擾手段，主要實現方法有低仰角增益天線、自適應凋零濾波和數字波束技術等，這些方法對窄帶和寬帶干擾能起到一定的抑制效果，但普遍存在硬件設計復雜和數據計算量大的問題[7～8]。有源頻率選擇表面（Active Frequency Selective Surface，AFSS）是在頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）的基礎上引入特定的激勵源，通過控制激勵源的方式實現對表面傳輸特性的變化操作[9～12]。文中以典型頻率選擇表面單元為研究基礎，設計了一種基于小型化有源頻率選擇表面單元的衛導天線，采用電磁波從天線的不同角度進行入射，最后針對仿真結果進行了分析和說明。

2 頻率選擇表面的基本理論

2.1 結構特點

頻率選擇表面一般是借助介質基板和諧振單元，按照一定形式進行排布構成周期陣列[13～14]。按周期排布的諧振單元一般有縫隙型和貼片型兩種，通過在介質基板上開一些周期排列的槽的方式可構成縫隙型FSS，比如十字縫隙、圓環縫隙和四方縫隙等，在頻率特性上呈現帶通的濾波特性；通過在介質基板上周期性的粘貼金屬片單元的方式可構成貼片型FSS，比如Y貼片、錨形貼片和耶路撒冷貼片等，通常呈現帶電阻濾波的特性[15～18]。周期單元的陣列排布位置對FSS性能的影響主要體現在柵瓣和帶寬兩方面，一般來說，為增加FSS的柵瓣出現頻率，提高濾波器性能，周期單元尺寸應該盡量?。籉SS帶寬與陣列單元間距呈負相關，為了提高FSS帶寬，陣列單元間距應盡量緊湊。

2.2 濾波機理

以縫隙型頻率選擇表面為例，當入射電磁波的頻率較小，頻率選擇表面產生的大范圍電子移動吸收掉大部分能量，剩余電磁波能量只能產生很小的感應電流，此時頻率選擇表面傳輸系數相對較低，大部分入射電磁波被反射回去[19～20]。隨著入射電磁波頻率越來越大，能夠穿過頻率選擇表面的電磁波也越來越多。當入射電磁波頻率增大到一定值時，入射波電場矢量驅動縫隙兩側的電子形成較大的感應電流，此時頻率選擇表面傳輸系數相對較高，大部分電磁波得以透射過去。隨著入射電磁波頻率繼續上升，電子的運動范圍被外部電場所約束，許多電子無法通過縫隙放射出能量，此時頻率選擇表面的傳輸系數降低，繼續表現出反射特性。因此，FSS既能使一定頻率的入射電磁波通過頻帶，也能對某些頻率的電磁波全部反射或者部分反射，表現出對頻率的選擇特性[21～22]。

3 基于AFSS的衛導天線結構設計

3.1 小型圓極化AFSS單元設計

3.1.1 頻率選擇表面結構設計

為了實現對帶通和帶阻狀態頻率的自由切換，盡可能的減小單元周期，設計了一種基于經典十字單元的新型小型化頻率選擇表面，其結構如圖1所示。為了最大限度地利用內部空間，應盡量增加多的縫隙，將縫隙設計成曲折的形狀，同時盡量減小縫隙寬度W，但是也有一定的界限，否則會影響電磁波在曲折縫隙中的傳播。本設計中，W=0.5mm，相鄰兩個縫隙之間的間距S=0.5mm，單元周期Dx=Dy=20mm，采用正方形排列。介質基板采用單邊負載方式，厚度為t=1mm，相對介電常數εr=2.55。考慮天線罩上AFSS工作的一般情況，電磁波的入射角度通常較大，所以必須要具有良好的接收穩定性以及工作可靠性，因此，將天線罩上AFSS設計為中心曲折對稱結構。

圖1 曲折十字縫隙FSS結構示意圖

如圖2所示，該曲折十字縫隙FSS單元在電磁波照射下的諧振頻率為1.26GHz，單元尺寸為20mm*20mm，然而傳統FSS單元達到此諧振頻率的尺寸大約為94mm*94mm，單元面積縮小了近94.5%，小型化特性明顯。

圖2 AFSS在TE、TM極化波不同角度入射時的傳輸系數曲線

FSS單元在-1dB下帶寬為0.1GHz（1.22GHz～1.32GHz），在諧振頻率1.26GHz時的傳輸系數僅為-0.07dB，電磁波照射AFSS得到的TE和TM傳輸系數曲線吻合良好，表明該曲折十字縫隙FSS能夠適應不同的應用要求，表現出非常好的極化穩定性。此外，當電磁波從不同角度照射AFSS時，諧振頻率和傳輸帶寬幾乎沒有發生變化，表現出良好的角度穩定性，各項指標滿足衛導天線抗干擾的需求。

3.1.2 頻率選擇表面的有源器件加載設計

通常選擇PIN二極管作為頻率選擇表面的有源裝置。PIN二極管是在P區域和N區域之間加載固有半導體的晶體二極管，使得電流能夠僅在單個方向上導通。當PIN二極管的兩端的電壓為正時，PIN二極管表現正偏，對應于電阻值小的電阻元件，可以認為是短路；當對PIN二極管兩端施加負電壓時，會產生反向偏置，對應于電阻值很大的電阻元件，可以認為是開路。通過利用PIN二極管這種線性整流的功能，可以進一步實現頻率微波的控制。

對于縫隙單元，加載有源器件的最直觀方式是直接加載。如圖3所示，用金屬貼片來代替二極管，通過在縫隙單元上放置和不放置貼片來模擬是否正常加載二極管的狀態。圖4給出了曲折十字縫隙中加載和不加載二極管兩種情況下的傳輸系數，可以看出，當曲折十字縫隙由不加載十字縫隙切換為加載十字縫隙時，AFSS的傳輸通帶由低頻1.26GHz向高頻1.41GHz移動，原來傳輸系數在-1dB的諧振頻率為1.22GHz～1.32GHz，如今在此頻率范圍內的傳輸系數小于-3.2dB。因此，通過對加載二極管的開關與閉合狀態進行控制，可以實現對FSS指定頻段內的通過和阻止狀態的轉換。

圖3 縫隙加載二極管結構示意圖

圖4 加載二極管時FSS傳輸系數曲線

3.2 AFSS單元與天線罩共形

在衛導接收機應用過程中，AFSS天線罩主要功能是防止在低俯仰角處異質波的干擾，所以只建模了曲面的其中一部分區域。AFSS天線罩的載體為半圓球形殼，厚度與AFSS單元的介質厚度一致，為1mm，所得到的AFSS天線罩結構如圖5所示。

圖5 AFSS天線罩的結構示意圖

為了進一步對AFSS天線罩的傳輸特性進行驗證，選擇單極子天線進行分析研究。如圖6（a）所示，天線振子的長度H=54.8mm，直徑R=2.43mm，圓形地板的直徑D與天線罩的直徑保持相等，D=300mm。單極子天線的反射系數如圖6（b）所示，可以看出，單極子天線的諧振頻率表現為1.26GHz，在頻帶 1.10GHz～1.45GHz中，反射系數均小于-10dB，表現出帶阻特性。單極子天線在1.26GHz輻射場的相對場強隨方向變化的圖形如圖7所示，與電場方向平行的方向圖切面E面呈“8”字形，與磁場方向平行的方向圖切面H面呈圓形，表面該單極子天線性能良好，滿足驗證AFSS天線罩性能的各項要求。

圖6 單極子天線的結構示意圖及反射系數圖

圖7 單極子天線在1.26GHz的歸一化輻射方向圖

4 仿真結果與分析

4.1 AFSS天線罩在非工作狀態

關閉AFSS天線罩上的二極管，利用三維電磁仿真軟件分別對單極子天線加載AFSS天線罩和不加載AFSS天線罩兩種情況進行仿真分析，將兩種情況下得到的增益方向圖進行對比，結果如圖8所示。天線在加載AFSS天線罩前后，其中E面方向圖基本沒有變化，H面方向圖在30°～150°之間，存在一定的增益略微降低或升高現象，但在總體上基本一致。結果發現，AFSS天線罩在未開啟二極管時呈現帶通特性，電磁波能夠透過天線罩傳遞到天線，通信功能正常。

圖8 加載天線罩前后天線的增益方向圖對比

4.2 AFSS天線罩在工作狀態

選擇一塊單元數量為4*6的AFSS天線罩區域，接通該區域內所加載的二極管使其處于工作狀態，剩余區域的AFSS單元維持非工作狀態，然后觀察分析天線所表現出的電磁波反射特性。首先，將0°～46°方位角范圍內的單元切換為工作狀態，剩余方位角內的單元保持不工作狀態，仿真得到天線的增益方向圖如圖9（a）所示。從圖中可以發現，天線在210°方位角附近產生了零深，表明按此角度入射的電磁波將表現出反射特性，且隨著俯仰角θ從80°減小到60°，增益從-20dB升高到了-10dB，可以看出電控頻率選擇表面天線罩對不同俯仰角度入射的電磁波存在反射差異。對于其他方位角范圍內，只有小部分區域內增益略微降低，但總體上顯示出良好的傳輸特性。

圖9 不同區域的FSS單元處于工作狀態時天線的H面方向圖

將34°～80°方位角范圍內的單元切換為工作狀態，剩余方位角內的單元保持不工作狀態，仿真得到天線的增益方向圖如圖9（b）所示，零深位置從原來的210°轉移到240°的位置，與記載二極管方位區域改變的角度值相當。繼續調整讓62°～114°和90°～138°方位角范圍內的單元為工作狀態，剩余方位角內的單元保持不工作狀態，仿真得到天線的增益方向圖如圖9（c）、9（d）所示，可以看到，增益方向圖中零深出現的位置隨著順時針方向轉動了30°和60°。由此，可以看出，通過改變不同方位角區域的二極管工作狀態，可以使零深的發生位置產生改變，且改變方位的移動角度和零深位置的轉移角度基本一致。因此，通過改變電控頻率選擇表面天線罩一定方位區域內二極管的工作狀態，可以實現對指定任意角度的電磁來波進行反射，防止其對衛導天線產生干擾，而從其他角度入射的電磁波則順利地穿過天線罩，作為電磁信號供內部天線解算使用。

從仿真結果來看，選用四分之一AFSS作為阻帶可以有效產生零深點。值得一提的是，零深點主要處在在低仰角區域，而此區域也是干擾來波最多的地方。

5 結語

在傳統的十字單元頻率選擇表面基礎上，設計了一種小型化十字縫隙頻率選擇表面單元，較經典十字縫隙AFSS的單元面積縮小了94.5%，小型化特征明顯。通過利用PIN二極管作為頻率選擇表面的有源器件，證明通過控制二極管的開關與閉合，能夠對FSS指定頻段內通過和阻止狀態的轉換?；谑挚p隙AFSS單元按照天線罩形式曲面建模，將單極子天線作為示例進行仿真分析，結果表明：在非工作狀態下，AFSS天線罩的增益方向圖與原天線增益方向圖基本一致，呈現出良好的帶通特性；在工作狀態下，通過改變電控頻率選擇表面天線罩一定方位區域內二極管的工作狀態，可以實現對指定任意角度的電磁來波進行反射，防止其對衛導天線產生干擾，而從其他角度入射的電磁波則順利地穿過天線罩，作為電磁信號供內部天線解算使用。此新型有源頻率選擇表面單元結構在衛導天線抗干擾設計中為廣大設計師提供了一定的參考。