一種能量選擇防護(hù)結(jié)構(gòu)與天線耦合效應(yīng)矢量分析方法

虎 寧 徐延林 劉培國

①(戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué) 鄭州 450001)

②(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410073)

1 引言

電磁空間被視為繼海、陸、空、天之后的第5維空間，發(fā)展電磁防護(hù)技術(shù)、維護(hù)電磁空間安全具有重要學(xué)術(shù)和工程價(jià)值。能量選擇防護(hù)結(jié)構(gòu)(簡稱防護(hù)結(jié)構(gòu)，Energy Selective Structure, ESS)是一種傳輸特性隨入射波電場強(qiáng)度自適應(yīng)變化的電磁結(jié)構(gòu)，在前門電磁防護(hù)方面有重要應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于低能量的工作信號(hào)，防護(hù)結(jié)構(gòu)處于透波狀態(tài)，電磁波可以無損地傳播；而對(duì)于高能量的攻擊信號(hào)，ESS能自適應(yīng)切換到防護(hù)狀態(tài)，屏蔽強(qiáng)電磁脈沖。

ESS的概念和定義由國防科技大學(xué)劉培國教授團(tuán)隊(duì)[1]在2009年首次提出，經(jīng)過持續(xù)研究和探索，積累了一系列理論和實(shí)物成果[2–7]。該團(tuán)隊(duì)的楊成[2]在其博士論文中對(duì)ESS進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首次通過強(qiáng)電磁輻照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ESS的非線性響應(yīng)，推動(dòng)了能量選擇防護(hù)研究的快速發(fā)展。此后，該團(tuán)隊(duì)的易波[3]提出了基于3維電磁結(jié)構(gòu)的能量選擇ESS，劉晨曦[4]探索了雙層能量選擇ESS的設(shè)計(jì)潛力，虎寧等人[5–7]提出了基于等效電路模型的ESS設(shè)計(jì)方法和ESS響應(yīng)閾值調(diào)控方法，推動(dòng)了ESS的工程化應(yīng)用。王軻[8]從應(yīng)用需求出發(fā)，提出了多款帶通能量選擇ESS，并設(shè)計(jì)制作了第1款應(yīng)用于北斗導(dǎo)航設(shè)備的電磁防護(hù)罩。近年來，ESS受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，多個(gè)不同學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員[9–15]提出了一系列新思路、新方法，進(jìn)一步豐富和拓展了ESS功能和應(yīng)用場景。

ESS的一個(gè)典型應(yīng)用場景是作為天線罩安裝于天線前端，然而天線和ESS都是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的電磁結(jié)構(gòu)，各自與自由空間處于良好的阻抗匹配狀態(tài)。當(dāng)ESS應(yīng)用于天線前端，尤其是應(yīng)用于天線近場區(qū)域時(shí)，會(huì)與天線產(chǎn)生耦合，影響天線的電磁性能，因此需要對(duì)二者的耦合效應(yīng)進(jìn)行深入分析，現(xiàn)有文獻(xiàn)未對(duì)此問題進(jìn)行專門研究。常規(guī)分析方法是將天線當(dāng)作發(fā)射器，通過電磁場分布來研究二者的耦合效應(yīng)，而天線近場區(qū)域的場分量非常復(fù)雜，難以得到清晰直觀的結(jié)論。從收發(fā)互易的角度，將天線當(dāng)作接收器而非發(fā)射器進(jìn)行分析時(shí)，上述問題可以得到簡化。從接收的角度理解，天線是一種從自由空間中捕獲能量的裝置，而能量分布可以通過坡印廷能流密度曲線來描述。同樣地，ESS對(duì)電磁波的擾動(dòng)也可以通過能流密度曲線來描述。因此，天線、ESS以及二者的耦合效應(yīng)都可以通過能流密度曲線進(jìn)行研究和分析。在以前的研究中，相關(guān)學(xué)者[16–18]使用坡印廷能流密度曲線分析了天線增益、方向性以及天線陣列單元之間的耦合等問題，與常規(guī)分析方法相比，本文所提方法提供了一個(gè)新的分析視角，從坡印廷能流密度曲線的角度理解ESS和天線之間的耦合作用。本方法同時(shí)提供了可視化分析效果和量化分析結(jié)果，而常規(guī)分析方法則無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述效果。此外，采用本方法得到天線的能流密度曲線分布之后，即可對(duì)ESS放置的位置進(jìn)行預(yù)判，從而降低仿真設(shè)計(jì)的盲目性，顯著提高設(shè)計(jì)效率。

本文對(duì)ESS與天線的耦合效應(yīng)分析方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了ESS與天線耦合效應(yīng)的可視化分析與量化評(píng)估。本文的內(nèi)容安排如下：第2節(jié)以偶極子天線為例介紹了坡印廷矢量法的基本原理；第3節(jié)以一款矩形喇叭天線以及一款單頻ESS為例，具體分析了ESS與喇叭天線的耦合效應(yīng)，驗(yàn)證了坡印廷矢量法的有效性，第4節(jié)對(duì)本文內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。

2 方法原理

2.1 天線的能流密度分布特性

從接收的角度觀察天線時(shí)，天線可以理解為一個(gè)接收空間電磁能量的裝置，而電磁能量的多少可以用能流密度曲線來表示。顯然，天線對(duì)能流密度曲線的作用可以分為兩個(gè)方面。首先，天線本身是一個(gè)金屬體，它具有一定的電磁散射特性，會(huì)對(duì)原本均勻分布的能流密度曲線產(chǎn)生擾動(dòng)，使能流密度曲線的方向發(fā)生變化。其次，天線作為一個(gè)接收器，能吸收入射電磁波的一部分能量，對(duì)應(yīng)的這部分能流密度曲線終止于天線的負(fù)載。被吸收的能流密度曲線的多少表征了天線獲得空間電磁能量的能力，所以天線的吸收口徑可以通過終止于天線負(fù)載的能流密度曲線的邊界來計(jì)算，用Sp來表示。具體地，Sp可以通過式(1)得到

其中， ?x和 ?y是能流密度曲線的空間間隔，該間隔可以通過仿真軟件進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)天線吸收口徑的大小設(shè)置合適的值即可，本文中設(shè)置為 ?x= ?y=0.01 λ，σ (i)的定義為

其中，Sload是負(fù)載所在的閉合曲面。本文中，首先使用商用軟件CST 2021 MWS工作室計(jì)算天線周圍的坡印廷矢量分布，然后利用Python 編程生成坡印廷能流密度曲線，最后在Matlab中使用Boundary函數(shù)將終止于天線負(fù)載區(qū)域的能流密度曲線進(jìn)行標(biāo)記，所有能流密度曲線的包絡(luò)即為天線的有效面積。能流密度曲線的間隔 ?x和 ?y按照二分法取步進(jìn)，當(dāng) ?x和 ?y變化引起天線有效面積的變化小于0.5%時(shí)，認(rèn)為其達(dá)到精度需要。圖1給出了在平面波入射下，長度為0.5 λ的對(duì)稱振子天線在完全匹配狀態(tài)時(shí)的能流密度曲線分布及在遠(yuǎn)場區(qū)域中計(jì)算的吸收口徑。其中，紅色的線代表被天線吸收的能流密度曲線，其邊界代表對(duì)稱振子天線的吸收口徑(圖1中黃色區(qū)域)，而藍(lán)色的線代表未被對(duì)稱振子吸收的能流密度曲線。根據(jù)IEEE的標(biāo)準(zhǔn)定義，天線的有效接收面積為接收天線終端的最大功率與入射波的功率通量密度之比[19]

其中，G是天線的增益，λ為波長。該振子天線的增益為2.12 dBi，通過式(3)得到的有效接收面積為0.126λ2；而通過能流密度曲線定義的吸收口徑為0.123λ2，二者的相對(duì)誤差為2.3%，計(jì)算結(jié)果基本一致，表明通過能流密度曲線定義的吸收口徑同樣可以表征天線的電磁特性。

與Ae不同的是，通過能流密度曲線定義的吸收口徑Sp不僅僅是一個(gè)標(biāo)量信息，Sp的形狀描述了天線吸收能量的空間分布，增加了對(duì)天線理解的維度。除了在天線的遠(yuǎn)場區(qū)域計(jì)算Sp之外，還可以在天線近場區(qū)域計(jì)算Sp。圖2給出了對(duì)稱振子天線在幾個(gè)典型位置的吸收口徑，結(jié)果顯示，對(duì)稱振子天線的吸收口徑是一個(gè)橢圓。隨著吸收口徑所在平面的位置從近場區(qū)(0.05λ)增加到遠(yuǎn)場區(qū)(3λ)，橢圓的長軸與短軸的方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。吸收口徑形狀變化的同時(shí)，大小也發(fā)生了變化。圖3給出了對(duì)稱振子天線不同位置吸收口徑的大小變化，隨著距離增加，Sp首先增大，并在大約0.2λ處達(dá)到峰值，此后隨距離增大而降低并在天線的遠(yuǎn)場區(qū)(0.5λ)逐漸趨于穩(wěn)定，大小與通過式(1)定義的有效接收面積一致。

圖2 對(duì)稱振子不同位置的吸收口徑形狀

圖3 對(duì)稱振子吸收口徑隨距離變化規(guī)律

在天線與ESS的優(yōu)化過程中，可以充分利用天線的吸收口徑提供的信息。當(dāng)需要在某一位置加載ESS時(shí)，只需要根據(jù)天線的吸收口徑的形狀和大小確定ESS的尺寸和大小即可。考慮到陣列的邊緣效應(yīng)，ESS的尺寸應(yīng)該略大于天線的吸收口徑，避免邊緣處能流曲線的不均勻性帶來的影響。此外，ESS對(duì)天線產(chǎn)生的影響還可以通過天線吸收口徑的變化進(jìn)行量化評(píng)估。當(dāng)ESS加載于天線前端，使得天線吸收口徑變大時(shí)，表明面ESS對(duì)天線產(chǎn)生了有利的影響，反之，天線吸收口徑減小時(shí)，則證明產(chǎn)生了不利影響。同時(shí)，天線吸收口徑形狀的變化還提供了天線吸收入射波能量的空間變化，這是常規(guī)的分析方法無法提供的。

圖4給出了對(duì)稱振子天線沿y方向放置，入射波從z方向入射時(shí)對(duì)稱振子附近的能流密度曲線分布。可以看出，天線對(duì)入射波的能流密度曲線產(chǎn)生了明顯的擾動(dòng)。在xoz平面，能流密度曲線在天線的遠(yuǎn)場區(qū)域是均勻分布的。隨著距離靠近天線，能流密度曲線向外張開，在天線附近變得更加稀疏。部分能流密度曲線延伸到對(duì)稱振子的下方，然后改變方向被天線吸收。在yoz平面，能流密度曲線的變化比xoz平面平緩，在靠近天線時(shí)，能流密度曲線向天線中心聚攏，分布更加密集。可以看出，在yoz平面有更多的能流密度曲線被天線吸收。

圖4 對(duì)稱振子吸收口徑隨距離變化規(guī)律

在得到天線的能流密度曲線分布之后，可以對(duì)ESS放置的位置進(jìn)行預(yù)判。在能流密度曲線分布均勻的區(qū)域，天線對(duì)電磁波擾動(dòng)的程度小，電磁場分布較均勻，適合加載ESS；反之能流密度曲線變化較快、分布不均勻的區(qū)域則表示此處天線對(duì)電磁能量的擾動(dòng)強(qiáng)烈，電磁場處于快速變化的狀態(tài)，場分量復(fù)雜，不適合加載ESS。以對(duì)稱振子天線為例，在天線周圍(小于0.1λ)，能流密度曲線變化劇烈，且具有多個(gè)不同的方向，該區(qū)域顯然是不適合放置ESS的，而在距離天線較遠(yuǎn)的位置，如0.4λ處，雖然該區(qū)域仍然屬于天線的近場，但能流密度曲線分布已經(jīng)比較均勻，與均勻平面波的能流密度曲線分布相當(dāng)，因此在該區(qū)域中加載ESS對(duì)天線性能的影響較小。對(duì)于不同的天線，其能流密度曲線分布也不相同，需要根據(jù)情況具體分析。注意到只需要進(jìn)行一次全波仿真，就能判斷適合ESS加載的大致區(qū)域，因此該方法是相對(duì)高效的。

2.2 ESS的能流密度分布特性

ESS雖然不吸收電磁波，但同樣會(huì)對(duì)周圍的電磁能量產(chǎn)生擾動(dòng)，當(dāng)ESS加載于天線前端時(shí)，其對(duì)能流密度曲線的擾動(dòng)會(huì)對(duì)天線吸收能量的效果產(chǎn)生影響。在前文的研究中，ESS被視為無限大的周期陣列，通過周期邊界條件下的傳輸系數(shù)評(píng)估其電磁性能。而本節(jié)將從坡印廷矢量的角度對(duì)ESS的電磁特性進(jìn)行分析。以文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)的ESS為研究對(duì)象，對(duì)ESS的能流密度曲線分布特性進(jìn)行探究。ESS的基本信息如圖5所示，選取ESS陣列包括12×9個(gè)單元，尺寸為1.92 λ×1.12 λ。在透波狀態(tài)下，該結(jié)構(gòu)在中心頻率6 GHz處的插入損耗小于0.5 dB，電磁波幾乎可以無損耗地透過；在防護(hù)狀態(tài)，ESS具有超過30 dB的防護(hù)效能，電磁波被屏蔽。其他詳細(xì)信息及其工作原理已在文獻(xiàn)中詳細(xì)闡述，本節(jié)不做贅述。

圖5 ESS單元、陣列及傳輸特性

ESS放置在z = 0切面處，使用平面波對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，能流密度曲線分布如圖6所示。可以看出，當(dāng)能流密度曲線接近ESS陣列時(shí)，發(fā)生了明顯的偏折，能流密度曲線首先向ESS的中心聚集，穿過ESS后向兩側(cè)擴(kuò)展，隨著遠(yuǎn)離ESS陣列，再次向中心區(qū)域聚集，最后保持不變。除了靠近ESS陣列邊緣的少量能流密度曲線外，大部分能流密度曲線經(jīng)過ESS陣列之后變得更加集中，這表明雖然ESS沒有吸收任何能量，但使穿過ESS的能流密度曲線更加密集，從而更容易被后端的天線吸收。需要說明的是，不同ESS的能流密度曲線分布是不同的，與ESS的諧振方式、陣列的尺寸等因素有關(guān)。對(duì)于給定的ESS陣列，應(yīng)當(dāng)選取ESS能流密度曲線分布均勻、能流密度變化小的區(qū)域加載天線，從而降低其對(duì)天線的影響。

圖6 ESS陣列的能流密度曲線分布

2.3 ESS與天線耦合效應(yīng)分析流程總結(jié)

上文使用能流密度曲線重新定義了天線吸收口徑，并分別討論了天線和ESS的能流密度曲線分布特性。上述過程獲得的信息可以用于二者耦合效應(yīng)的分析并指導(dǎo)ESS設(shè)計(jì)，主要作用包括：

(1)天線吸收口徑的形狀給出了ESS最優(yōu)尺寸和位置的參考。當(dāng)ESS作為天線罩時(shí)，最先產(chǎn)生的一個(gè)問題就天線罩的大小和形狀如何確定。如果天線罩過小，無法覆蓋天線的吸收口徑，那么入射波不經(jīng)過天線罩也可被天線吸收，這種情況下無法發(fā)揮天線罩預(yù)期的作用。反之，如果天線罩的尺寸過大，就會(huì)增加額外的成本，造成了不必要的浪費(fèi)。此外，通過對(duì)ESS和天線的能流密度曲線特性分析，可以得到ESS對(duì)天線能流密度曲線分布擾動(dòng)最小、吸收口徑變化最小的位置，即為ESS的最優(yōu)加載位置。

(2)天線和ESS的能流密度曲線分布可以對(duì)ESS與天線的耦合效應(yīng)進(jìn)行可視化的分析和量化評(píng)估。天線和ESS的電磁特性可以用其周圍的能流密度曲線分布來分析，當(dāng)ESS加載于天線前端時(shí)，二者的耦合效應(yīng)必然會(huì)反映在能流密度曲線分布的變化上。通過能流密度曲線的分布，就可以對(duì)二者的耦合效應(yīng)進(jìn)行可視化的分析。耦合效應(yīng)的大小可以通過吸收口徑變化的大小進(jìn)行量化評(píng)估。同時(shí)，吸收口徑的形狀還可以反映天線吸收電磁波能量的空間分布。最后，給出坡印廷矢量法分析天線和ESS的一般流程，如圖7所示。首先使用坡印廷矢量法對(duì)天線和ESS分別進(jìn)行分析，得到天線的吸收口徑、能流密度曲線分布以及ESS的能流密度曲線分布。然后通過天線的吸收口徑確定ESS的參考尺寸，并根據(jù)二者的能流密度曲線分布選擇ESS放置的初始位置。初始位置的選擇應(yīng)當(dāng)使天線和ESS都處于彼此能流密度曲線分布較為均勻的區(qū)域。接下來對(duì)二者的耦合效應(yīng)進(jìn)行分析，使用吸收口徑的變化進(jìn)行量化比較，得到ESS對(duì)天線吸收口徑影響最小的位置作為ESS加載的最優(yōu)位置。最后通過常規(guī)分析方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，比較天線的增益、駐波等指標(biāo)是否滿足要求。

圖7 ESS與天線耦合效應(yīng)分析流程

3 ESS與喇叭天線耦合效應(yīng)分析實(shí)例

3.1 喇叭天線的能流密度分布特性

本節(jié)使用坡印廷矢量法對(duì)矩形喇叭天線進(jìn)行分析，具體尺寸如圖8所示。在阻抗匹配狀態(tài)下，使用垂直于喇叭口面的平面波進(jìn)行激勵(lì)，獲得喇叭天線在中心頻點(diǎn)的能流密度分布。

圖8 矩形喇叭天線的尺寸和幾何形狀

圖9(a)和圖9(b)顯示了喇叭天線在E面和H面的能流密度分布。可以看出，在天線的影響下，入射波的能流密度曲線出現(xiàn)了較為明顯的變化。根據(jù)距喇叭口面的位置，可以將能流密度曲線分為3個(gè)區(qū)域，即Area I,Area II和Area III。在Area I中。能流密度曲線在3個(gè)區(qū)域中的分布特點(diǎn)、變化大小不同，反射處對(duì)應(yīng)區(qū)域中電磁能量的分布特性也不同。

圖9 矩形喇叭天線的能流密度特性分析

圖9(c)顯示了在z = 9λ 處獲得的喇叭天線的吸收口徑，結(jié)果顯示，矩形喇叭天線的吸收口徑并不是和喇叭口面一樣的矩形，而是一個(gè)紡錘形。具體而言，喇叭口面兩側(cè)的大部分區(qū)域的能流密度曲線都被天線負(fù)載吸收，而中間部分未被吸收。這與圖9(a)和圖9(b)中能流密度曲線的分布一致。通過坡印廷矢量獲得的矩形喇叭天線的吸收口徑為0.752 λ2；通過式(3)計(jì)算的有效接收面積值為0.760 λ2，相對(duì)誤差僅為1.1%，兩者具有良好的一致性，誤差主要來源于全波仿真的計(jì)算誤差以及后處理過程中邊界提取的誤差。

3.2 ESS最優(yōu)加載位置

為了分析ESS和矩形喇叭天線之間的耦合效應(yīng)，將ESS和矩形喇叭天線進(jìn)行聯(lián)合仿真，計(jì)算ESS放置在矩形喇叭天線不同位置時(shí)矩形喇叭天線能流密度曲線分布以及吸收口徑的變化，使用Zd表示ESS與喇叭天線口面之間的距離。圖10計(jì)算了Zd= 0.1λ時(shí)矩形喇叭天線的能流密度曲線分布和吸收口徑。在E面，能流密度曲線在靠近矩形喇叭天線中心的位置出現(xiàn)了兩個(gè)旋渦，導(dǎo)致該處的能流密度曲線不能被矩形喇叭天線吸收。實(shí)際上，旋渦處的能流密度曲線穿過了E面，進(jìn)入了其他平面。由于ESS的存在，在喇叭口面邊緣處，更多的能流密度曲線進(jìn)入了矩形喇叭天線的負(fù)載。這部分能流密度曲線首先被ESS所捕獲，沿ESS流動(dòng)到靠近矩形喇叭天線中間的區(qū)域后脫離ESS，進(jìn)入矩形喇叭天線負(fù)載，這表明ESS與矩形喇叭天線深度耦合，起到了引導(dǎo)能量流動(dòng)的作用。在H面，能流密度曲線向矩形喇叭天線兩側(cè)彎曲，最終未被矩形喇叭天線吸收。

圖10 Zd = 0.1λ 時(shí)天線的能流密度曲線分布

與無ESS相比，矩形喇叭天線的能流密度分布在加載ESS以后產(chǎn)生了顯著變化，表明ESS和矩形喇叭天線之間存在強(qiáng)烈的耦合，ESS作為矩形喇叭天線的一部分參與了矩形喇叭天線接收電磁波的過程。圖10(c)顯示了矩形喇叭天線吸收口徑的變化，矩形喇叭天線的吸收口徑在x方向擴(kuò)張的同時(shí)分裂成了兩個(gè)不連續(xù)的部分，這表明加載ESS以后，矩形喇叭天線中心區(qū)域不再吸收電磁能量，與前文基于能流密度曲線分析的結(jié)果一致。值得指出的是，不加ESS時(shí)，計(jì)算得到的吸收口徑是0.85λ2，加載ESS后的吸收口徑為0.72λ2。從數(shù)值上比較，加載ESS以后吸收口徑的變化并不顯著，但是從吸收口徑的形狀比較，二者存在明顯差別。

為了更加深入地分析ESS和矩形喇叭天線之間耦合的原因，對(duì)矩形喇叭天線有無ESS時(shí)附近的電場和磁場分布進(jìn)行了計(jì)算。圖11顯示了有無ESS時(shí)矩形喇叭天線附近的電場分布，加載ESS以后，矩形喇叭天線的電場分布變化較小，表明二者之間沒有產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場耦合。圖12顯示了有無ESS時(shí)矩形喇叭天線附近的磁場分布，結(jié)果顯示，加載ESS以后，矩形喇叭天線附近的磁場分布發(fā)生了明顯變化，在ESS上激發(fā)了強(qiáng)烈的磁諧振，從而引起了電磁能量的擾動(dòng)。

圖11 矩形喇叭天線的電場分布

通過對(duì)電場和磁場分布的分析進(jìn)一步驗(yàn)證了基于坡印廷矢量法的分析結(jié)果，證明了該方法的可行性。對(duì)比場分析和坡印廷量法分析的結(jié)果可以看出，場分析只提供了一個(gè)定性的分析結(jié)果，通過該結(jié)果可以判斷天線和ESS是否出現(xiàn)耦合，但不能判斷耦合效應(yīng)是有利還是不利，也不能評(píng)估耦合的強(qiáng)弱程度。對(duì)比之下，基于坡印廷矢量法的分析結(jié)果能提供清晰的物理圖景和量化比較，體現(xiàn)了坡印廷矢量分析方法的優(yōu)越性。

為了更加詳細(xì)地探究ESS在不同位置對(duì)矩形喇叭天線吸收口徑的影響，對(duì)其位置進(jìn)行參數(shù)掃描，結(jié)果如圖13所示。當(dāng)ESS距離矩形喇叭天線很近時(shí)(Zd< 0.2λ, Area III)，喇叭天線的吸收口徑有一定程度的減小，原因在于ESS與天線存在強(qiáng)耦合，產(chǎn)生了不利影響。隨著ESS逐漸遠(yuǎn)離天線(Zd>0.2λ, Area II)，吸收口徑出現(xiàn)了波動(dòng)，這是因?yàn)樵诮鼒鰠^(qū)域，天線的場分布不均勻，隨著距離的變化ESS對(duì)天線的吸收口徑產(chǎn)生了不同影響，這也為ESS與天線的優(yōu)化提供了空間。最后，當(dāng)ESS的距離繼續(xù)增加，到達(dá)天線的遠(yuǎn)場后(Zd> 4.5λ, Area I)，吸收口徑不再發(fā)生變化，這表明ESS對(duì)天線的影響達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)ESS距離矩形喇叭天線 時(shí)，喇叭天線具有最大吸收口徑，可以作為ESS最優(yōu)加載位置。總體而言，加載ESS以后天線的吸收口徑增大，對(duì)天線產(chǎn)生了有利影響。

圖13 ESS放置于不同位置時(shí)矩形喇叭天線吸收口徑的變化

3.3 驗(yàn)證分析

前文中將天線當(dāng)作接收器，利用能流密度分布分析了矩形喇叭天線和ESS之間的耦合效應(yīng)，并利用吸收口徑進(jìn)行了量化評(píng)估。為了驗(yàn)證坡印廷矢量法的分析結(jié)果，將天線重新當(dāng)作發(fā)射器，使用波端口進(jìn)行激勵(lì)，計(jì)算天線的增益、方向圖、S參數(shù)等信息，使用常規(guī)分析方法評(píng)估加載ESS后天線性能的變化。

圖14比較了ESS位于幾個(gè)典型位置時(shí)矩形喇叭天線方向圖的變化，當(dāng)ESS距離較遠(yuǎn)時(shí)(9λ)，主瓣方向上的增益在E面和H面都有一定的增加，而當(dāng)距離天線較近時(shí)(0.14λ)，增益有輕微的降低，這與坡印廷矢量法分析的結(jié)論一致。在副瓣方向上，當(dāng)ESS距離較遠(yuǎn)時(shí)，副瓣上升，當(dāng)距離較近時(shí)(0.14λ)，副瓣降低，情況與主瓣相反，這是由于ESS只覆蓋了主瓣方向，主瓣方向上的能量增強(qiáng)了，必然導(dǎo)致副瓣的能量減少，反之亦然。在背瓣方向上，ESS在不同位置時(shí)天線的背瓣都有不同程度的增大，這是因?yàn)镋SS本身的透波率并不是100%，必然引起部分反射，導(dǎo)致背瓣升高。總體而言，副瓣和背瓣的變化不大。

圖14 ESS放置于不同位置時(shí)對(duì)矩形喇叭天線方向圖的影響

圖15比較了ESS在不同位置時(shí)矩形喇叭天線的S參數(shù)，當(dāng)ESS位于天線遠(yuǎn)場時(shí)，S參數(shù)基本沒有變化，這表明ESS對(duì)天線的匹配狀態(tài)影響較小；當(dāng)ESS距離較近時(shí)，S參數(shù)有比較明顯的變化，在部分頻段的表現(xiàn)甚至優(yōu)于無ESS時(shí)的結(jié)果，這表明ESS和矩形喇叭天線之間的耦合作用使得天線的阻抗匹配狀態(tài)更佳。

圖15 ESS放置于不同位置時(shí)對(duì)矩形喇叭天線反射系數(shù)的影響

最后，計(jì)算了ESS在不同位置時(shí)矩形喇叭天線的增益變化，并將其和吸收口徑進(jìn)行了對(duì)比。如圖16所示，當(dāng)從接收的角度得到天線的吸收口徑增大時(shí)，從發(fā)射的角度得到的天線的增益也增大，二者具有良好的一致性，證明了坡印廷矢量法分析的可靠性。顯然，只有在ESS處于Area III時(shí)，矩形喇叭天線增益降低，在其他位置，矩形喇叭天線的增益都有不同程度的增加。根據(jù)仿真結(jié)果，最大增益出現(xiàn)在ESS距離天線1.7λ處，矩形喇叭天線的吸收口徑從0.72λ2增加到0.93λ2。對(duì)應(yīng)地，矩形喇叭天線的增益從9.88 dBi增加到10.85 dBi。

圖16 矩形喇叭天線增益與吸收口徑變化對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出一種ESS與天線耦合效應(yīng)矢量分析方法，首先以振子天線為例對(duì)該方法的原理與分析流程進(jìn)行了詳細(xì)說明。該方法從接收的角度對(duì)天線進(jìn)行研究，使用有效口徑與能流密度曲線評(píng)估天線的電磁性能，可對(duì)ESS與天線的耦合效應(yīng)進(jìn)行可視化分析與量化評(píng)估，指導(dǎo)ESS的尺寸、形狀以及最優(yōu)位置設(shè)計(jì)。其次，將所提方法應(yīng)用于ESS與喇叭天線之的耦合效應(yīng)分析，驗(yàn)證了所提方法的有效性。首先詳細(xì)分析了ESS與喇叭天線之間的耦合機(jī)理，確定了ESS加載的最優(yōu)位置，其次將所提方法與常規(guī)方法的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，二者吻合良好。雖然本文提出的設(shè)計(jì)方法是以一款平面的ESS與喇叭天線為例進(jìn)行分析的，但對(duì)于其他不同類型的ESS與天線也具有借鑒意義，為ESS與天線耦合效應(yīng)分析提供了新的分析工具。雖然本文只對(duì)偶極子天線和喇叭天線進(jìn)行了分析，但分析過程和方法對(duì)大部分天線都是適用的，其應(yīng)用場景是較為豐富的。