一種新型寬帶微單元頻率選擇表面研究

馬曉宇，張勝輝，楊紅喬

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

一種新型寬帶微單元頻率選擇表面研究

馬曉宇，張勝輝，楊紅喬

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

提出一種寬頻帶、低插損的單元小型化頻率選擇表面（FSS）新型設(shè)計(jì)。在經(jīng)典方環(huán)型頻率選擇表面單元基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過增加方環(huán)曲折縫隙的方法，在不增大單元面積的同時(shí)降低單元的諧振頻率，同時(shí)采用中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)降低頻率隨入射角度的改變?cè)黾咏嵌确€(wěn)定性以及極化穩(wěn)定性。將這種新型頻率選擇表面單元與方環(huán)貼片型頻率選擇表面單元級(jí)聯(lián)，通過介質(zhì)層的合理加載，設(shè)計(jì)出一個(gè)三層的頻率選擇表面，所實(shí)現(xiàn)的低頻段帶通特性帶內(nèi)差損小、帶寬寬以及角度穩(wěn)定性好。

頻率選擇表面；微單元；寬通帶；低插損

頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces，F(xiàn)SS）的概念最早是由美國(guó)物理學(xué)家DavidRittenhouse在實(shí)驗(yàn)中觀察到條柵將白色光分解成單色光后提出的［1］，之后Hertz和Tompson等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)頻率選擇表面做了進(jìn)一步解釋。頻率選擇表面是由大量的無源諧振單元組成的周期性陣列結(jié)構(gòu)。這些無源諧振單元通常需要有襯底支撐，也有覆蓋層，在介質(zhì)層上按二維周期性排列構(gòu)成單層或多層準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)［2］。

頻率選擇表面作為一種二維周期性結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的講就是一種電磁濾波器，它能讓有用的電磁波通過，讓不想要的波反射掉，或者相反。頻率選擇表面所呈現(xiàn)的這種在開放空間的電磁波濾波器功能，使其在科學(xué)和工程等領(lǐng)域（特別是在國(guó)防軍工領(lǐng)域）具有很大的應(yīng)用價(jià)值，一直是微波和天線學(xué)者們研究的一個(gè)重要方向［3］。

頻率選擇表面單元的形狀、尺寸、介質(zhì)加載方式以及周期性的排列方式，都將影響頻率選擇表面的頻率響應(yīng)特性。在實(shí)際工作頻率很低（L、S波段）的時(shí)候，頻率選擇表面的帶寬寬度、角度穩(wěn)定性、極化穩(wěn)定性以及單元尺寸等都是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。文中提出一種新型頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)方環(huán)頻率選擇表面單元的基礎(chǔ)上，通過曲折縫隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的頻率選擇表面單元。這種改進(jìn)的頻率選擇表面單元在低頻段帶通特性的同時(shí)，與經(jīng)典的方環(huán)單元相比兼具角度穩(wěn)定性、極化穩(wěn)定性以及尺寸小型化等優(yōu)點(diǎn)。

1　理論分析

在對(duì)頻率選擇表面進(jìn)行理論分析時(shí)，可以將整個(gè)頻率選擇表面作為傳輸線的一部分進(jìn)行考慮從而得到頻率選擇表面的等效傳輸電路［4］，如圖1所示。其中C為頻率選擇表面周期單元的分布電容，L為分布電感，Y0為自由空間的特征阻抗。此時(shí)，頻率選擇表面的諧振頻率和帶寬分別為：

式中：f0為諧振頻率；Δf為3 dB帶寬。其中，分布電容C主要由頻率選擇表面內(nèi)兩個(gè)分離的導(dǎo)電環(huán)之間耦合形成，電感L則由頻率選擇表面內(nèi)的細(xì)導(dǎo)線產(chǎn)生。

圖1　頻率選擇表面的等效傳輸線電路圖Fig.1　The equivalent transmission line circuit diagram of FSS

由式（1）可知降低頻率選擇表面的諧振頻率的可行途徑是增大周期單元的分布電容或分布電感，而帶寬又與電感成正比，與電容成反比［5］。文中采用彎折電感層縫隙走線以增加其長(zhǎng)度的方法來增大分布電感，如圖2所示。通常頻率選擇表面單元的周長(zhǎng)決定了諧振頻率，一般單元的周長(zhǎng)近似為一個(gè)波長(zhǎng)大?。?］。本文設(shè)計(jì)的新型頻率選擇表面單元在大大減小單元面積的同時(shí)降低單元的諧振頻率（單元尺寸僅為波長(zhǎng)的），從而在S頻段實(shí)現(xiàn)了微單元設(shè)計(jì)，同時(shí)采用中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)降低頻率隨入射角度的改變?cè)黾咏嵌确€(wěn)定性以及極化穩(wěn)定性。

2　新型頻率選擇表面設(shè)計(jì)

圖2　小型化頻率選擇表面單元Fig.2　Miniaturized frequency selective surface element

基于上述方法，利用CST仿真軟件建立如圖3所示的三層頻率選擇表面，此三層結(jié)構(gòu)的縱向結(jié)構(gòu)關(guān)于電感層對(duì)稱，在電容層兩側(cè)分別加載厚度為0.6 mm的玻璃鋼層（h1= hc1=0.6 mm）電感層兩側(cè)加載厚度 0.2 mm的玻璃鋼層（h2= 0.2 mm），兩層玻璃鋼層之間是厚度為6 mm的泡沫層（h= 6 mm）其中電容層的線寬分別為0.7 mm與0.44 mm，電感層線寬0.1 mm。

圖3　三層頻率選擇表面Fig.3　Three-layer frequency selective surface

方環(huán)的邊長(zhǎng)為4.6 mm，整個(gè)頻率選擇表面的尺寸為5 mm*5 mm，厚度為14.9 mm。玻璃鋼介電常數(shù)為3.2，泡沫介電常數(shù)為1.1。經(jīng)仿真此頻率選擇表面在不同角度兩種極化方式下的傳輸特性結(jié)果如圖4所示。

圖4　頻率選擇表面的傳輸特性圖Fig.4　The transmission characteristics diagram of FSS

從仿真結(jié)果可以看出周期單元的尺寸僅為5 mm （僅為λ/24，λ為諧振頻率電磁波自由空間波長(zhǎng)），頻率選擇表面的諧振頻率可達(dá)2.5 GHz，-1.5 dB帶寬可達(dá)2 GHz左右。在0～50度入射角情況下傳輸特性穩(wěn)定，兩種極化特性穩(wěn)定。

將設(shè)計(jì)的三層頻率選擇表面進(jìn)行加工測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。傳輸特性的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，測(cè)試以及仿真結(jié)果證明，上述周期單元小型化頻率選擇表面的設(shè)計(jì)是完全可行的。

3　結(jié)束語(yǔ)

文中研究了一種基于經(jīng)典方環(huán)的新型小型化頻率選擇表面單元。通過彎折電感層縫隙走線以增大電感層電感，在大大減小單元面積的同時(shí)降低單元的諧振頻率。在所設(shè)計(jì)的新型單元小型化頻率選擇表面單元的基礎(chǔ)上加載介質(zhì)層，最終設(shè)計(jì)出一個(gè)具有良好入射角穩(wěn)定性和極化穩(wěn)定性的三層頻率選擇表面。由仿真結(jié)果可知，上述設(shè)計(jì)可以將頻率選擇表面的單元尺寸降低到諧振頻率電磁波自由空間波長(zhǎng)的1/24，并且實(shí)現(xiàn)性能良好的低頻段寬帶寬的帶通型頻率選擇表面。

圖5　頻率選擇表面?zhèn)鬏斕匦詼y(cè)試結(jié)果及仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5　Comparison of simulation and test results for transmission coefficient of the designed FSS

［1］侯新宇.復(fù)雜介質(zhì)加載頻率選擇表面的特性分析及雷達(dá)罩應(yīng)用研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，1997.

［2］Munk B A.Frequency Selective Surface：Theory and Design ［M］.NewYork：Wiley，2000.

［3］阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［4］Langley R J，Parker E A.Equivalent circuit model for arrays of square loops［N］.Electronic Letters，1982，18（7）：294-296.

［5］Hosseinipanah M，Wu Qun.Exposrue reduction of S-band radar’s staff by designing a frequency selective surface［C］// ICMMT Proceedings，Nanjing，China，2008：456-457.

［6］王立超.頻率選擇表面設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2012.

A novel miniaturized-element frequency selective surface with wide-bandwidth

MA Xiao-yu，ZHANG Sheng-hui，YANG Hong-qiao
（China Academy of Space Technology，Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100086，China）

This paper presents a new miniaturized Frequency Selective Surface（FSS）element with wide bandwidth and stable polarization and angular responses.By maneuvering the slot of a classic square ring type FSS，the resonant frequency of the element was greatly decreased.At the same time，the element exhibits excellent angular stability and polarization stability due to its center symmetric structure.Cascading the new element with square ring patch FSS elements loaded with dielectric layers，a three-layer-FSS was designed，which has an insertion loss less than 2dB in a bandwidth of 80%.

Frequency Selecive Surface（FSS）；miniaturized-element；angular stability；polarization stability

TN820.8

A

1674－6236（2016）03-0107-02

2015-03-15稿件編號(hào)：201503198

馬曉宇（1988—），女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)與信息處理、頻率選擇表面設(shè)計(jì)與應(yīng)用。