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      一種新型復合帶通型頻率選擇表面研究

      2013-08-20 04:59:14楊益兼
      電子設計工程 2013年21期
      關(guān)鍵詞:吸波入射角電磁波

      楊益兼,陳 彬,劉 君

      (中國人民解放軍理工大學 電磁環(huán)境效應與電光工程國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

      頻率選擇表面(FSS)的研究從上世紀50年代開始得到重視并快速發(fā)展,廣泛地應用于天線和雷達罩等領域,目前熱門的隱身技術(shù)FSS也是重要的研究方向[1-3]。FSS一般是由特定結(jié)構(gòu)組成的二維周期陣列結(jié)構(gòu),分為貼片型和縫隙型兩種,分別可以用來設計空間電磁波的帶阻濾波器和帶通濾波器??p隙型頻率選擇表面用來實現(xiàn)帶通型濾波器是因為這種結(jié)構(gòu)在諧振頻率上是透明的,而在低于諧振頻率及高于諧振頻率的頻段是非透明的。為了獲得帶通濾波器的特性,比如說平頂、陡截止的頻率曲線,可以把兩層或更多的表面前后級聯(lián)起來[1]。

      FSS的單元結(jié)構(gòu)種類多樣,例如圓環(huán)形、十字型、耶路撒冷型、Y型諧振子等。每一種形狀都有不同的頻率特性。本文設計了一種復合帶通型FSS,通過軟件仿真和實物測試驗證12GHz到18GHz的頻率選擇性能。

      1 單元結(jié)構(gòu)設計

      由于FSS的周期特性,根據(jù)Floquet定理,可以對其縫隙陣列單元進行分析。首先,當平面波激勵出的感應電流流經(jīng)結(jié)構(gòu)單元時,分析選定單元的干一個電流和感應電壓分布情況;然后,根據(jù)亥姆霍茲方程可求單元輻射場,總的輻射場即是所有單元結(jié)構(gòu)輻射場的疊加。計算時,為了加速收斂,減少計算工作量,利用傅里葉變換和譜域轉(zhuǎn)換公式,把空間域的泊松求和轉(zhuǎn)換到譜域上,得到總輻射場的譜域計算公式[4]。

      設入射電磁波的傳播方向為:

      根據(jù)感應電流得到總輻射電場強度:

      其中,Z是自由空間波阻抗;l是選定單元縫隙的長度;Dx和 Dy是單元之間的間距;I(l)是感應電流,R(l)是縫隙位置坐標;R是空間任意位置的坐標;e(l)是電磁波的極化矢量;β是自由空間的傳播常數(shù);r±是譜域變換過程中產(chǎn)生的一個函數(shù),它取決于常數(shù)nx和nz,其方向分別在入射波矢分量Sx和Sy的傳播方向上。譜域變換函數(shù)為:

      式中 rx,ry,rz分別為空間的 3個坐標。

      其中λ為電磁波自由空間的波長。

      通過公式求出的感應電流I(l)就可以得到FSS陣列的電場強度分布[5]。Ben A.Munk[1]提出利用廣義的基爾霍夫定律,確定單個陣列的電壓,得到最后陣列的縫隙電壓,確定傳輸信號。其他的陣列不會傳輸信號,我們可以確定反射信號。假定沒有柵瓣,傳輸信號功率和反射信號功率的和應該等于入射功率,從而求得傳輸系數(shù)。

      在十字型縫隙單元的基礎上[6],通過大量的計算和仿真,結(jié)合環(huán)形縫隙的特點,設計出了新型復合FSS縫隙結(jié)構(gòu)單元,如圖1,2。在大量的優(yōu)化設計后,確定其結(jié)構(gòu)參數(shù)為:雙層對稱結(jié)構(gòu);單元結(jié)構(gòu)邊長為8.7 mm;縫隙寬度為0.3 mm;十字縫長度為8.1 mm;矩形縫邊長為2.3 mm;中間層相對介電常數(shù)為2.65,厚度為4 mm。

      利用仿真軟件HFSS對該復合結(jié)構(gòu)單元仿真計算。HFSS采用FEM算法,特點是可以采用網(wǎng)格自適應技術(shù),對網(wǎng)格進行自動優(yōu)化,并且在網(wǎng)格優(yōu)化時做到很好的共形[7]。在HFSS軟件中為了模擬無限大周期結(jié)構(gòu),設置上下、左右邊界分別為主從邊界,前后兩個端口設置為FloquetPort。

      圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure

      圖2 側(cè)面示意圖Fig.2 The side face view

      分別在 12 GHz 到 18 GHz掃頻, 以 0°、15°、30°和 45°入射角對FSS周期單元結(jié)構(gòu)進行仿真計算,,得到透射系數(shù)(即S12或S21)如圖3所示。各入射角度得到的-3dB通帶都在1.5 GHz左右,如表1??梢钥闯鲈谌肷浣歉淖儠r帶寬能保持穩(wěn)定,但有微小的頻率偏移。

      由于頻率選擇面這樣的空間濾波器不同于普通的濾波器,入射波的極化方向、入射角度、激勵模式等都會對濾波的效果產(chǎn)生很大的影響,所以在不同的入射方式上同一頻率選擇面都會產(chǎn)生不同的作用效果。柵瓣的出現(xiàn)在18 GHz以后,且較小,滿足對空間電磁波濾波的要求。

      2 實物制作與測試

      2.1 FSS測試板制作

      在軟件仿真驗證后,作者設計了一種新型復合帶通FSS結(jié)構(gòu)。它具有平頂穩(wěn)定,通帶寬,陡截止性好等優(yōu)點,對空間電磁波具有良好的帶通濾波性能。使用Protel SE99軟件繪制雙層PCB版圖并加工為成品。加工參數(shù)同仿真參數(shù),覆銅厚度為35 μm;雙面鍍薄金。如圖4所示。

      圖3 入射角度對傳輸曲線的影響Fig.3 The influence of incident angle to transmission curves

      表1 4種入射角度對應的-3dB通帶Tab.1 -3dB passband of four incident angle

      圖4 30×30cm實物FSS板Fig.4 30×30cm Physical FSS board

      2.2 實驗器材

      首先,自制一個吸波屏蔽測試箱。使用木材加工一個四面木板兩面通透的正方體木箱,邊長為65 mm,木板表面覆蓋泡沫劈尖吸波材料,吸波材料尺寸略大于木箱尺寸以保證良好的吸波效果。另準備一塊吸波材料,在其中心挖一個25×25 cm的正方形孔,作為放置FSS板的測試區(qū)域,保證FSS測試板能夠方便地放置和取下。

      其次,準備兩個最高頻率為18 GHz的喇叭天線和信號傳輸線,分別放于測試箱正前方和正后方,并保證垂直于測試區(qū)域正方形孔中心,并且處于同一高度。

      最后,準備矢量網(wǎng)絡分析儀。本次試驗使用的是AV3630 X1型微波毫米波天線與RCS測試系統(tǒng),掃頻范圍為450 MHz到 110 GHz。

      2.3 實驗過程

      根據(jù)設計要求,本次試驗信號的掃頻范圍為12 GHz到18 GHz,發(fā)射天線距離FSS測試方孔為1.5 m,接收天線距離測試方孔后方1.5 m。如圖5,6所示。

      首先測試了在完全吸波狀態(tài)下,即未開孔情況時的透射系數(shù),保證電磁場繞射、散射和反射的影響很小;然后使用未放置FSS板的開孔吸波材料,測試直通情況下的透射系數(shù);接著把FSS板放置在測試正方形孔上,測試FSS板對于此頻段電磁波的帶通濾波能力;最后對數(shù)據(jù)進行匯總分析。

      圖5 測試系統(tǒng)正面Fig.5 The front of the test system

      圖6 測試系統(tǒng)背面Fig.6 The back of the test system

      3 實驗結(jié)果及分析

      在12 GHz到18 GHz頻段內(nèi),吸波材料平均屏蔽性能達到40 dB,屏蔽效果很好,達到了效果,可以在分析中忽略空間電磁波繞射、散射、反射等的影響。

      如圖7和8所示,實測FSS的3 dB帶寬達到了2.3 GHz,并且在其他頻段透射系數(shù)下降很快,具有很好的濾波效果,與仿真結(jié)果對比看出,3 dB通帶帶寬僅有0.5 GHz誤差,能夠較好的接近理論結(jié)果。實驗證明,設計的復合帶通型頻率選擇表面具有良好的空間電磁波選頻能力。

      4 結(jié) 論

      此次FSS實物實驗達到了預期的效果,證明了這種復合帶通型FSS具有很好的選頻效果,并且詳細地分析了實驗過程,為以后的實驗提供了經(jīng)驗。由于實驗室條件的限制,此次實驗未能在更遠的發(fā)射距離進行測試,根據(jù)此次實驗多次測量的結(jié)果總結(jié)出測試距離在1.5 m以上時效果非常好,在1.5 m以下時(分別在0 m、0.6 m和1 m情況進行了測試)通帶和阻帶性能都有明顯下降,表明FSS能夠?qū)h場區(qū)電磁波很好地選頻,近場區(qū)域情況復雜選頻效果差??紤]到中間介質(zhì)成本、FSS成品尺寸(不是無限大)等因素的影響,成品FSS板和軟件設計仿真值有些許出入,但在考慮范圍內(nèi)。下一步的工作是對其他形狀結(jié)構(gòu)的FSS成品板進行實物測試,并且試圖尋找柔性結(jié)構(gòu)的FSS制作方法。

      圖7 直通與加FSS的透射曲線Fig.7 Transmission curve with and without FSS

      圖8 歸一化實驗與仿真曲線對比Fig.8 Experiment and the simulation curve

      [1]MUNK B A.Frequency selective surface:theory and design[M].New York:Wiley,2000.

      [2]WU T K.Frequency Selective Surfaceand Grid Array[M].New York:Wiley,1995.

      [3]HE Bin,SUN Lian-chun.Effects of fabricated error on transmission performance of double layer frequency selective surface configuration[J].Optics and Precision Engineering,2005,13(5):599-603.

      [4]Blackburn J,Armaut L R. Numerical convergencein periodic method of moments analysis of frequency-selective surfaces based on wire Elements[J].IEEE Trans Antenna Propagate,2005,53(10):3308-3315.

      [5]呂冬翔,劉立國,丁國文.新型FSS縫隙陣列結(jié)構(gòu)的分析與仿真設計[J].電子元件與材料,2011,30(11):46-50.

      LV Dong-xiang,LIU Li,DING Guo-wen.New FSS slot array structure analysis and simulation[J].Electronic Components and Materials,2011,30(11):46-50.

      [6]李小秋,高勁松,馮曉國.一種新型復合單元頻率選擇表面[J].微波學報,2008,24(1):7-14.

      LI Xiao-qiu,GAO Jin-song,F(xiàn)ENG Xiao-guo.A new composite frequency selective surface unit[J].Journal of Microwaves,2008,24(1):7-14.

      [7]Tatsuo Itoh.Numerical Techniques For Microwave and mm-Wave Passive Structures[M].New York:Wiley,1989.

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