王松潔 冀 航

（中國艦船研究設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(shí)，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(shù)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(duì)陣面天線的隔離情況，金屬擋板在對(duì)電磁波產(chǎn)生遮擋，改變傳播方向和特性的同時(shí)，也會(huì)讓電磁波產(chǎn)生繞射效應(yīng)。國內(nèi)外針對(duì)金屬擋板的電磁效應(yīng)已經(jīng)做了一定的研究，黃龍水［8］研究了金屬平板對(duì)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(yīng)，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(guān)性較小。宋東安等對(duì)自由空間下雙葉擋板［9］和菲涅爾圓盤［11］的遮擋效應(yīng)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。隨后又在此基礎(chǔ)上通過理論和仿真研究［10］了陣面天線間垂直安裝擋板時(shí)，在平面波照射的擋板后方區(qū)域陰影區(qū)域場強(qiáng)的影響因素。國防大學(xué)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(yīng)用提供了指導(dǎo)。

從目前研究現(xiàn)狀看，關(guān)于擋板高度共面天線間的隔離度影響，還未通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)研究金屬擋板垂直安裝共面天線間時(shí)，不同高度金屬擋板對(duì)共面天線隔離效應(yīng)的試驗(yàn)研究。

2 理論分析

為了定性分析金屬擋板對(duì)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(diǎn)的場強(qiáng)變化來，研究擋板對(duì)天線的隔離效果，圖中Q點(diǎn)為電磁波在金屬表面的反射點(diǎn)。

圖1 平面波照射擋板示意圖

如圖當(dāng)均勻平面波照射擋板時(shí)，擋板后方P點(diǎn)的場強(qiáng)為兩部分組成，一個(gè)為散射波Ud和反射波Ur：

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

上式表明：P點(diǎn)的場強(qiáng)由兩部分組成，兩部分的合成場強(qiáng)值大小與相位密切相關(guān)，當(dāng)xh?xp時(shí)，上式子兩個(gè)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(dāng)xh越大，積分的值越小，所以增加高度可以減小P點(diǎn)的場強(qiáng)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證理論分析，采用試驗(yàn)的方法來研究高度對(duì)共面天線間隔離度影響，本文中隔離度通過傳輸系數(shù)S21來衡量。在金屬擋板隔離試驗(yàn)中，采用兩副喇叭天線模擬收發(fā)共面天線，發(fā)射方向與天線的安裝面垂直（天線安裝面為金屬結(jié)構(gòu)），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(yàn)測量收發(fā)天線間傳輸系數(shù)S21，用于衡量天線間的隔離情況。試驗(yàn)期間整個(gè)測試系統(tǒng)的收發(fā)狀態(tài)固定，保證試驗(yàn)結(jié)果在同一基準(zhǔn)電平上進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 測試系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖3 2GHz～10GHz安裝3cm高度擋板后S21對(duì)比

圖4 2GHz～10GHz安裝10cm高度擋板后S21對(duì)比

由圖中可知道，對(duì)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(dāng)擋板高度繼續(xù)提升至50cm，隔離度度增加并不顯著。原因是在此頻段內(nèi)，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(duì)比

圖6 2GHz～10GHz安裝50cm高度擋板后S21對(duì)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(jìn)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(guān)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(shí)，隔離度提升較為顯著，達(dá)到6dB/λ，當(dāng)電長度增大到4λ以后，隔離度提升了10dB左右，進(jìn)一步增大高度后隔離度提升不夠明顯，結(jié)論和以上的分析相吻合。

4 結(jié)語

以上采用喇叭天線垂直于安裝面，能夠模擬陣面天線實(shí)際工作狀態(tài)下，不同高度擋板對(duì)天線隔離的效果。通過試驗(yàn)可以分析，擋板的高度需要根據(jù)需求進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。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。

［1］宋東安，張崎，溫定娥，等.艦載平面陣天線布置中的電磁兼容性問題及控制措施［J］.中國艦船研究，2012（3）：19-22，33.

［2］饒克謹(jǐn)，高正平.利用平面上表面波模型研究吸波材料對(duì)表面波的作用［J］.宇航材料工藝，1991（2）：30-35.

［3］黃震宇.材料行波抑制測試技術(shù)與系統(tǒng)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［4］王超，李恩，鄭虎.雷達(dá)吸波材料表面波抑制性能測試技術(shù)［J］.宇航材料工藝，2016（6）：75-78.

［5］Dan Sievenpiper，LijunZhang，Romulo F.JimenezBroas.High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbid?den Frequency Band［J］.IEEE NO.11，NOVEMBER 1999.

［6］ W.Rotman，“A Study of Single-Surface Corrugated Guides”［J］.Proc.IRE 39，952（1951）.

［7］Fan Yang，Yahya Rahmat-Samii.“Microstrip Antennas In?tegrated With Electromagnetic Band-Gap（EBG）Struc?tures：A Low Mutual Coupling Design for Array Applica?tions”［J］.IEEE Trans.Antennas Propagat VOL.51，pp2936-4946，Oct 2003.

［8］黃龍水，熊海亮，宋東安.金屬平板對(duì)陣列天線端射特性的影響［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2014，36（3）：80-82.

［9］宋東安，易學(xué)勤，溫定娥.金屬擋板遮擋效應(yīng)試驗(yàn)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（9）：76-79.

［10］Song D，Zhang Q，Xiong H，et al.Investigation for shielding effectiveness of metal plate［C］//IEEE，Inter?national Symposium on Microwave，Antenna，Propaga?tion and Emc Technologies for Wireless Communica?tions.IEEE，2013：363-366.

［11］宋東安，易學(xué)勤，溫定娥.金屬擋板抑制輻射干擾的機(jī)理研究［C］//中國造船工程學(xué)會(huì)2007年優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文集.2008：46-48.

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