基于互補結構的有源FSS傳輸特性

樊 康 鮑卓如 何小祥 楊 陽

（南京航空航天大學電子信息工程學院，南京，210016）

引 言

頻率選擇表面（Frequency－selective surface，F(xiàn)SS）已經廣泛地應用于通信和雷達系統(tǒng)，并且一直是國內外研究的熱點［1－3］。傳統(tǒng)的FSS設計成型后，其工作帶寬、諧振頻率等參數(shù)是固定的，不能適應外部電磁環(huán)境的變化。自20世紀80年代英國KENT大學的研究小組首次明確提出電可控FSS的概念，即有源頻率選擇表面（Active FSS）后［4］，有源FSS便得到很大的關注。目前，實現(xiàn)“有源”主要有3種類型：（1）在FSS中加入有源器件，主要為變容管和PIN 管［5，6］；（2）使用電磁特性可變的介質作為襯底［6，7］；（3）控制不同層間的耦合方式［8，9］。相比后兩者，在FSS中加入有源器件制作更方便，調控方式更多樣，且對環(huán)境要求低。

本文采用十字型貼片和方形縫隙互補模型，在十字貼片之間加載PIN管，得到一個新型有源FSS。針對此模型，著重研究了PIN管開啟和關閉兩種情況下不同入射角、不同極化波傳輸特性以及PIN管加載對插入相移的影響。

1 理論分析

本文所采用的FSS結構如圖1所示。圖1中深色部分代表金屬，淺色部分代表介質板。介質板材料為FR4－expoxy，相對介電常數(shù)約為4.4，介質損耗角正切為0.02，厚度為1.6mm。

根據(jù)等效電路原理和傳輸線原理可知，方型縫隙模型可以等效成如圖2（a）所示的電路，十字貼片模型可以等效成如圖2（b）所示的電路［9－11］。上下兩金屬層的耦合效應，可以等效為互感。中間的介質層可以等效為短傳輸線，其長度等于介質層厚度。因此，此有源FSS的等效電路可以表示成如圖3所示。PIN管正向偏置下等效電路圖如圖4所示。

圖1 有源FSS陣列參數(shù)及加載方式

圖2 單元的等效電路

圖3 整個結構的等效電路

圖4 PIN管正向偏置下等效電路

當PIN管不工作的時候，可以等效成一個很大的電阻［12］，由等效電路可以得到此結構的特性阻抗方程式為［13，14］

計算方程式得到1個零點和2個極值點。當阻抗為0時，電流從端口1流向了地面，端口2沒有接收到電流，即電磁波沒有傳輸。相反，阻抗為極值時，電流流向了2端口，電磁波得到傳輸。此有源FSS傳輸特性表現(xiàn)為雙通帶。

當PIN管開始工作時，特性阻抗方程式為

由于PIN管完全導通時電阻值很小，計算時方程可以等效為

計算得1個零點和一個極值，此時有源FSS表現(xiàn)為單通帶。

PIN的開關狀態(tài)，可以改變此有源FSS傳輸特性，達到人為可控的效果。

2 仿真和測試結果分析

本文使用型號為BAP70－03的PIN管，采用鍍膜和光刻技術制造有源FSS的實驗樣本，大小為180mm×163mm，5行6列共30個單元，加載了24個二極管，如圖5所示。饋電方式如圖6所示，PIN管平行X軸排列。查表可知此型號PIN管工作時表現(xiàn)出阻值在1Ω到300Ω之間變換，通過改變調節(jié)器件偏置電壓或偏置電流來實現(xiàn)阻值變化。

圖7表示的是平面波垂直入射，電場極化方向與PIN管放置方向同向，PIN管不同工作狀態(tài)下的仿真結果。由圖可知，這種加載方式能對第1個通帶進行有效的調節(jié)。當PIN二極管不工作時，第一諧振頻點為2.2GHz，諧振頻點處插損為1.3 dB，－10dB帶寬為1.7～2.5GHz；而當PIN二極管阻值從300Ω降低到1Ω時（即偏置電壓增加，PIN二極管阻值減?。?.7～2.5GHz的頻帶內，傳輸特性曲線在－10dB以下，當阻值為1Ω時，在這個頻帶內傳輸特性曲線都在－15dB以下，在2.2GHZ處插損為17.6dB，相比PIN不工作時下降16.3dB，形成良好的隔離度?？刂芇IN管的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了低頻處帶通和帶阻的切換。相應地，在PIN二極管不工作時，第二諧振頻點在4.02GHz，諧振頻點處插入損耗為1.58dB；而當PIN二極管阻值從300Ω降低到1Ω時，PIN二極管阻值的改變對第二諧振頻點影響甚小。

圖5 實驗樣本

圖6 饋電方式

圖7 不同PIN管阻值下的傳輸特性

在不同入射角度下，F(xiàn)SS的透波率將會有很大的差別，因此有必要研究有源FSS的角度穩(wěn)定性。PIN管在開和關兩個狀態(tài)下，不同模式不同角度入射電磁的傳輸特性如圖8所示。

圖8 不同極化、不同入射角下的頻率特性

圖8（a，b）為FSS在帶通狀態(tài)下，TE波和TM波入射下，傳輸特性曲線隨入射角度的變化過程。TE波入射時，入射角度從0°增加到75°，F(xiàn)SS諧振頻率保持在2.2GHz不變，在諧振頻率處的傳輸系數(shù)依次為－1.3dB，－1.3dB，－1.4dB，－1.7 dB，－2.2dB和－3.7dB，插入損耗增大，同時其帶寬逐漸減小；與TE波相反，TM波入射角從0°增加到75°時，F(xiàn)SS在諧振頻率處的傳輸系數(shù)依次為－1.3dB，－1.3dB，－1.2dB，－1.0dB，－0.8 dB和－0.6dB，插入損耗變化不大，但其帶寬逐漸增大。圖8（c，d）為FSS在帶阻狀態(tài)下，TE波和TM入射下，傳輸特性曲線隨入射角度的變化過程。TE波的傳輸特性曲線隨入射角度的增加逐漸下降，F(xiàn)SS呈現(xiàn)更好的帶阻特性；與TE波相反，TM波的傳輸特性曲線隨入射角的增加逐漸上升，F(xiàn)SS的帶阻特性變差。TE波電場極化方向與入射面垂直，而TM波極化方向與入射面平行，兩種電磁波在FSS上的邊界條件不一致，因此導致了TE波和TM波以不同入射角度照射FSS時，F(xiàn)SS的傳輸特性曲線呈現(xiàn)了不同的變化趨勢。

電磁波通過一定厚度的不同介質時，將會引起一定的相位滯后。對于平面波通過兩種不同的無損耗、一定厚度的介質層的相移量之差，稱為插入相位延時（Insertion phase delay，IPD）［15］。對FSS傳輸特性研究一般針對主極化狀態(tài)，即TE和TM極化（相應的極化角分別為90°和0°）。圖9為垂直入射下和30°斜入射主極化狀態(tài)下，PIN管開啟和關閉時的IPD特性。結果表明，在PIN管關閉時，在TE波與TM波下，此FSS結構傳輸曲線有共同諧振點，在諧振頻點處IPD完全相同；并且可知TE傳輸曲線比TM傳輸曲線較為陡峭，即在諧振處傳輸效率改變大，則相應的IPD在諧振處附近變化更劇烈。當PIN管開啟時，在TE與TM下傳輸曲線不相交，IPD也無相同點，并且曲線相應都比較平緩。

圖9 不同狀態(tài)下的IPD變化

圖10表示的是實驗樣板在微波暗室中測試結果。首先記錄了實驗背景噪聲，兩喇叭直通時傳輸系數(shù)在－5dB左右波動。

由圖可知，中心頻率也從2.2GHz飄移到了1.8GHz，整體下降了0.4GHz，造成這樣的原因可能是PIN管的寄生電容電感，工藝加工帶來的影響。當外加電壓為0V時，PIN管關閉，傳輸系數(shù)曲線在－8dB附近，減去測試路徑損耗5dB，傳輸系數(shù)為－3dB。當外加電壓在0～2V之間時，傳輸曲線沒有大的變化。這是由于PIN管是串聯(lián)形式加載，分配到每個PIN管的電壓小于PIN管閥值，此時PIN管還沒有工作。當外加電壓在2～3V時（每個PIN二極管的直流偏置電壓介于0.5 V和0.75V之間），傳輸系數(shù)曲線大幅下降，諧振頻率1.8GHz處傳輸系數(shù)從－8dB降到了－25 dB，如圖11所示。這表明此階段直流偏置電壓已超過PIN二極管的閥值，因此其電阻隨電壓的增加而迅速變小。當外加電壓大于3V，每個PIN二極管的直流偏置電壓大于0.75V，1.8GHz處傳輸系數(shù)穩(wěn)定在－25dB左右，表明此階段PIN二極管已經完全導通。比較圖7與圖10，仿真結果中在諧振頻點2.2GHz，傳輸系數(shù)從－1.3dB降到－17.6dB，有16.3dB的動態(tài)變化范圍，實測結果是在1.8GHz處傳輸系數(shù)從－8dB降到了－25 dB，有17dB的動態(tài)變化范圍，實測與仿真的效果基本一致。

圖10 頻率響應測試值

圖11 1.8GHz處的傳輸特性測試值

3 結束語

本文通過在互補結構FSS上加載PIN管，設計了一款新型的有源FSS，通過等效電路和傳輸線原理分析以及軟件仿真和實物測試，可以發(fā)現(xiàn)通過改變PIN管的工作狀態(tài)，F(xiàn)SS的傳輸系數(shù)可以有17dB的動態(tài)范圍，并且查看了加載PIN管后的插入相移變化。本文研究成果可以為頻率選擇表面天線罩等透波電磁窗設計提供借鑒。

［1］ Munk B A.Finite antenna arrays and FSS［M］.New York：Wiley，2000.

［2］ Chen C C.Transmission of microwave though perforated flat plates of finite thickness［J］.IEEE，1973，21（1）：1－6.

［3］ 孫連春.頻率選擇表面技術在導彈電子戰(zhàn)中的應用［J］.電子對抗，2002，2（46）：1－3.Sun Lianchun.Frequency selective surface technology application in the missile electronic warfare［J］.E－lectronic Warfare，2002，2（46）：1－3.

［4］ 寇松江.有源選擇表面電磁特性的研究［D］.南京：東南大學，2007.Kou Songjiang.Research on electromagnetic properties of active FSS［D］.Nanjing：Southeast University，2007.

［5］ Munir A，F(xiàn)usco V.Dual band switchable substrateless frequency selective surfaces［C］∥2009International Conference on Electrical Engineering and Informatics.Selangor.Malaysia：IEEE，2009：623－626.

［6］ 張成剛，張強，胡明春.方環(huán)可調頻率選擇表面吸收體［J］.微波學報，2009，25（1）：17－19.Zhang Chenggang，Zhang Qiang，Hu Mingchun.A－doptable frequency selective surface absorber［J］.Journal of Microwaves，2009，25（1）：17－19.

［7］ Li G Y.Analysis of frequency selective surfaces on biased ferrite substrate［J］.IEEE AP－S Dig 1995，7（3）：1636－1639.

［8］ Bossard J A.Tunable frequency selective surfaces and negative－zero－positive index metamaterials based on liquid crystals［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，2008，56（5）：1308－1320.

［9］ 徐念喜，高勁松，馮曉國，等.一種實現(xiàn)微型頻率選擇表面帶通開關的方法［J］.微波學報，2011，27（4）：1－5.Xu Nianxi，Gao Jinsong，F(xiàn)eng Xiaoguo，et al.A novel method to achieve miniaturized－element frequency selective surfaces band－pass switch［J］.Journal of Microwaves，2011，27（4）：1－5.

［10］Kamal S，Nader B.A frequency selective surface with miniaturized elements［J］.IEEE Microwaves Antennas and Propagation，2007，55（5）：1239－1245.

［11］Lockyer D S，Vardaxoglou J C，Simpkin R A.Complementary frequency selective surfaces［J］.IEEE Microwaves Antennas and Propagation，2000，147（6）：501－507.

［12］Munir A，F(xiàn)usco V.Frequency selective surface with dual band switchable reflection and transmission characteristics［J］.Microwave and Optical Tech Letts，2009，51（9）：2059－2061.

［13］Kihun Chang，Sang il Kwak，Young Joong Yoon.E－quivalent circuit modeling of active frequency selective surfaces［C］∥IEEE Radio and Wireless Symposium.Orlando，F(xiàn)L：2008，663－666.

［14］Hu Xiaodong，Zhou Xiliang，Wu Linseng，et al.A miniaturized dual－band frequency selective surface（FSS）with closed loop and its complementary pattern［J］.Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2009，（8），1374－1377.

［15］蒙志君，呂明云，祝明，等.帶通FSS結構的插入相位延遲特性［J］.南京航空航天大學學報，2010，42（5）：665－669.Meng Zhijun，Lu Mingyun，Zhu Ming，et al.Insertionphase－delay characteristics of bandpass FSS structures［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，2010，42（5）：665－669.