金属网反射面金属丝接触电流仿真分析

白 鹤，王五兔

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安710100）

随着航天科技的发展，对于星载天线提出更严格的要求：波束更窄、增益更高。而这促使天线反射面的尺寸越来越大。由于发射体积和发射重量的限制，固体反射面已经不再适用，可展开天线引起了人们的注意。金属网作为反射面的金属网反射面可展开天线由于其展缩比大、网面精度高等优点而在航天项目中广泛应用。

与固体反射面相比，金属网反射面展示出独特的RF性能。这促使人们对其进行大量的研究，不仅分析金属网反射面透射反射系数[1－3],还对金属网反射面的无源互调特性进行研究[4－6]。

在文献[2]中指出接触点的接触状态对网状反射面的电性能有显著的影响，在文献[4－6]中指出金属丝接触点是造成无源互调的主要源，而且通过接触点的电流越大，产生的PIM就越大。但是尚未见有文章以其为研究对象。

本文中，以网状反射面上金属丝非理想接触点接触电流为研究对象。将金属网看作周期结构，利用Ansoft HFSS中的Floquet端口技术仿真求解，给出了接触电流随金属网孔、接触状态及馈源信号入射角度的变化曲线。为设计金属网反射面提供理论依据。

1 理论分析

金属网反射面天线结构一般如图1所示，作为反射面的金属网一般由镀金钼丝以一定的编织方式编织而成。最常见的编织方式有 single Atlas，single Satin，black tricot，平纹编织等。这里研究平纹编织。对于金属网反射面上的任意接触P，其切平面如图2所示，为一个理想无限大二维周期结构。以P为坐标原点，建立坐标系，图中θi为馈源信号入射角度，Φi为极化角。

图1 网状反射面天线结构示意图Fig.1 Structure of the metal mesh reflector antenna

图2 平面无限大金属网Fig.2 Plane wave incident upon a planar mesh with infiniteperiodic cell array

那么金属网反射面上点P处的功率密度SP可以由式(1)表示，其中(θi，Φi）为馈源信号入射方向， Pr为馈源辐射功率，G(θi，Φi）为在(θi，Φi）方向的馈源增益。

由于一个周期单元的面积Acell很小，可以认为在单元面上功率密度相等，因此在点P处去一周期单元，则该周期单元的入射功率为

这样周期单元在曲面反射面上的位置既决定了馈源信号的入射角也决定了入射功率。图3(a)给出了一个周期结构单元，为两交叉接触金属丝，a和b表示金属网网孔的边长，为了简便假设a=b,即网孔为正方形。

图3 平面周期单元两金属丝接触示意图Fig.3 Planar periodic cell and two metal wires contact

两金属丝之间的接触如图3(b)所示，假设接触面为圆形，对于不同的接触状态，两根金属丝之间的接触面积不同，对应接触半径a也不同，接触面记为SC。

接触点处的接触电流可以通过接触面处的电流密度在接触面上积分得到。两金属丝接触区域的体电流密度为J，在接触面SC上积分得到接触电流。

2 仿真分析

网状反射面上点p处接触电流可以通过对其切平面接触的接触电流仿真得到，切平面为平面周期结构，可以利用FSS的仿真分析方法来对金属反射面天线进行分析。这里使用Ansoft公司的HFSS软件，利用其Floquet端口仿真接触点处的体电流密度，从而利用上述公式计算接触电流。选取周期结构中一个单元，在HFSS中建立模型如图4所示。

图4 金属网周期单元仿真模型Fig.4 Metal mesh periodic cell model

参数选取如下：金属丝半径为15 μm，馈源辐射信号频率2 GHz，极化角度Φ为60°，入射功率密度为0.036 666 7 W/mm2。得到仿真结果如下：

1)网孔大小对接触电流的影响

网孔大小是金属网反射面的一个重要参数，在研究网孔大小对接触电流的影响时，假设金属网的其他参数不发生变化。若馈源信号垂直入射，两金属丝接触半径为1 μm，入射信号为TE模和TM模时，接触电流随网孔大小的变化关系如图5所示。

图5 网孔大小对接触电流的影响Fig.5 Contact current against mesh hole size

不管是入射信号TE模还是TM模，随着金属网网孔边长的增加接触电流近似线性增加。在网孔边长超过4 mm时，会出现谐振情况，导致接触电流剧烈变化。接触电流过大会导致金属网产生的无源互调电平过大，对于收发共用的金属网反射面天线将造成巨大的干扰。而网孔过小，金属网的重量剧烈增加，对于星载天线，发射成本剧烈增加。因此在选用金属网反射面时应选用合适的网孔大小。如在2 GHz时，选用网孔大小为2～3 mm最合适。

2)接触状态对接触电流的影响

金属丝与金属丝之间的接触状态是金属网反射面的另一个重要的参数[7]。这里接触状态利用接触半径来表征，接触半径越大，接触状态越良好，接触半径越小，接触状态越不良，当接触半径为0时，表示不接触。研究接触状态对于接触电流的影响时，馈源信号垂直入射，网孔边长为3 mm，入射信号为TE模和TM模时，接触电流密度随接触半径的变化曲线如图6所示。

图6 接触半径对接触电流密度的影响Fig.6 Contact current density against contact radius

由图6可以看出，入射信号为TE模和TM模时接触电流变化趋势相同，接触电流密度随着接触半径的增加先增大后减小，在接触半径为2～3 μm时，有峰值。决定金属网上金属丝接触状态的是金属网的编织结构和所施加的张力。因此在选用金属网反射面时，应该选用合适的编织结构和张力大小，尽量避免接触半径为2～3 μm的接触出现，这样可以有效的降低由于接触而引起的无源互调电平。

3)入射角度对接触电流的影响

这里我们还对馈源信号入射角度对接触电流的影响进行研究[8]。研究接触电流随馈源信号入射角度变换关系时，入射信号 TE模和 TM模，接触半径 1 μm，网孔边长 3 mm，仿真结果如图7所示。

图7 入射角度对接触电流的影响Fig.7 Contact current against incident angle

由图7可知，在入射角度小于20°时，接触电流基本不随入射角度变换。入射角度大于20°时，随着入射角度的增加，TE模入射时，接触电流减小；而TM模入射时，接触电流增加。

3 结论

文章研究了金属网反射面金属网网孔大小、金属丝之间的接触半径、馈源信号入射角度对金属丝与金属丝之间的接触电流的影响。得到金属网反射面上金属丝接触电流随各因素的变化关系。为研究金属网反射面天线无源互调特性及设计金属网反射面天线提供了一定的理论指导。

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