毫米波段多層介質(zhì)型頻率選擇表面設(shè)計(jì)與仿真

韋 黔，陳 迪，劉米豐，袁 濤，崔大祥

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240； 2.上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心,上海 200240；3.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

毫米波段多層介質(zhì)型頻率選擇表面設(shè)計(jì)與仿真

韋 黔1,2，陳 迪1,2，劉米豐3，袁 濤3，崔大祥1,2

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240； 2.上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心,上海 200240；3.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

針對(duì)準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)高性能頻率分離器件的需求，研究了一種工作于毫米波段的多層金屬微結(jié)構(gòu)介質(zhì)型頻率選擇表面(FSS)，可透射183 GHz頻段反射118 GHz頻段電磁波。設(shè)計(jì)了一種基于多層金屬結(jié)構(gòu)的介質(zhì)型太赫茲FSS，由在多層Mylar膜(介電常數(shù)3.0，損耗正切值0.001)間鑲嵌多層基本單元為方孔結(jié)構(gòu)的金屬銅，中心頻率位于183 GHz附近，對(duì)頻率175～191 GHz的電磁波表現(xiàn)為透射性，對(duì)112～124 GHz的電磁波表現(xiàn)為反射性。用CST MWS軟件仿真分析了介質(zhì)層(Mylar膠)厚度和金屬層數(shù)對(duì)頻率選擇表面?zhèn)鬏斝阅艿挠绊?，并?duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：當(dāng)介質(zhì)層厚度100 μm，金屬銅8層，周期306 μm，線寬20 μm，金屬厚度20 μm時(shí)，頻率選擇表面在相應(yīng)頻段內(nèi)的插入損耗與反射損耗均小于0.3 dB，同時(shí)118 GHz處隔離度大于22 dB，各項(xiàng)傳輸性能完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

毫米波段； 183 GHz/118 GHz； Mylar膠； 多層金屬微結(jié)構(gòu)； 頻率選擇表面； 結(jié)構(gòu)參數(shù)； 插入損耗； 反射損耗； 隔離度

0 引言

微波輻射計(jì)作為氣象衛(wèi)星的重要探測(cè)設(shè)備，已廣泛搭載于極軌氣象衛(wèi)星投入應(yīng)用，如目前我國在軌的FY-3系列衛(wèi)星。下一代微波探測(cè)載荷空間分辨率指標(biāo)要求更高，輻射計(jì)部分頻段處于亞毫米波段，且具頻段覆蓋廣、探測(cè)通道多、不同探測(cè)通道觀測(cè)一致性好等特點(diǎn)。傳統(tǒng)微波輻射計(jì)的焦平面饋源陣列排布方式的載荷體積、重量與共視軸等特性均無法滿足上述要求，同時(shí)因采用波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)波束傳輸，難以滿足超寬帶與低插損的應(yīng)用需求。利用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)的多頻段亞毫米波準(zhǔn)光復(fù)用系統(tǒng)，可使不同頻段、不同極化通道的亞毫米波束共用衛(wèi)星天線且功率傳輸損耗極低，能滿足下一代亞毫米波探測(cè)載荷的指標(biāo)要求，是國內(nèi)外星載毫米波與亞毫米波探測(cè)載荷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)由極化分離器、頻率分離器、饋源喇叭及反射鏡等器件組成，目前國際上已有多顆衛(wèi)星搭載該系統(tǒng)開展探測(cè)任務(wù)[1-3]。頻率選擇表面(FSS)是一種由基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行平面周期拓展后得到的周期陣列，本質(zhì)是一種對(duì)電磁波有選擇透過性的空間濾波器，可作為準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)中的頻率分離器，將饋電系統(tǒng)接收到的電磁熱輻射信號(hào)分離成不同頻帶的信號(hào)以供后續(xù)處理，是準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)的核心器件。國外對(duì)FSS的研究開展較早，20世紀(jì)60年代美國學(xué)者發(fā)表了相關(guān)的專著，介紹了FSS的完整理論，詳細(xì)研究了各種FSS結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)[4]。至今，國外對(duì)FSS已形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈并有成熟產(chǎn)品公開發(fā)售[5]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，早期受限于加工工藝，研究主要局限于結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化。進(jìn)入新世紀(jì)后隨著加工技術(shù)的進(jìn)步，各種新型結(jié)構(gòu)單元FSS的研究發(fā)展迅猛[6]。對(duì)多層介質(zhì)型金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)FSS，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，英國卡迪夫大學(xué)的PETER課題組設(shè)計(jì)出了多層金屬網(wǎng)格FSS，有優(yōu)異的傳輸性能，并已產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行公開發(fā)售，但價(jià)格昂貴[5]。文獻(xiàn)[7]通過仿真，分析了周期大小、線寬、金屬層厚度和介質(zhì)層厚度等參數(shù)對(duì)金屬網(wǎng)格FSS傳輸性能的影響。赫茲(0.1～10 THz)頻段的FSS，尤其是多層金屬結(jié)構(gòu)的太赫茲FSS，國內(nèi)目前研究多局限于仿真研究，尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平。

本文針對(duì)準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)高性能頻率分離器件的需求，研究了工作于毫米波段的太赫茲介質(zhì)型頻率選擇表面。為滿足準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)中頻率分離器件必須在通帶具低插入損耗，在阻帶具高隔離度的要求，設(shè)計(jì)了一種基于多層金屬結(jié)構(gòu)的介質(zhì)型太赫茲FSS，由在多層Mylar膜(介電常數(shù)3.0，損耗正切值0.001)間鑲嵌多層基本單元為方孔結(jié)構(gòu)的金屬銅，中心頻率位于183 GHz附近，對(duì)頻率位于175～191 GHz的電磁波表現(xiàn)為透射性，112～124 GHz的電磁波表現(xiàn)為反射性，通過仿真分析了Mylar膜厚、金屬層數(shù)兩個(gè)參數(shù)對(duì)多層FSS傳輸性能的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)指標(biāo)

作為準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)的核心器件，F(xiàn)SS的插入損耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的插入損耗有決定性的影響，因此要求FSS在相應(yīng)頻段的插入損耗必須維持在一個(gè)較低的水平，同時(shí)在指定頻段有高隔離度，以滿足饋電系統(tǒng)的應(yīng)用要求。本文用CST公司的 CST MICROWAVE STUDIO全波電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。該軟件基于有限積分技術(shù)(FIT)，直接從麥克斯韋方程組導(dǎo)出解，計(jì)算快速，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。仿真參數(shù)設(shè)置和設(shè)計(jì)指標(biāo)分別見表1、2。

表1 CST MWS仿真參數(shù)設(shè)置

表2 FSS主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2結(jié)構(gòu)模型與等效電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，F(xiàn)SS需要在高頻段(175～191 GHz)透射電磁波，低頻段(112～124 GHz)反射電磁波，類似于一個(gè)高通濾波器，因此設(shè)計(jì)的多層FSS基本結(jié)構(gòu)單元采用金屬網(wǎng)格型(如圖1所示)，對(duì)電磁波呈現(xiàn)高通特性，其等效電路如圖2所示。

圖1 多層FSS結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multilayer FSS

圖2 網(wǎng)格型FSS等效電路Fig.2 Equivalent circuit of grid FSS

設(shè)FSS單元結(jié)構(gòu)周期為P，線寬為W，Mylar膠的相對(duì)介電常數(shù)為εr，則上述電路模型中有

(1)

(2)

式中：ε0，μ0分別為真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率[8-9]。

根據(jù)FSS周期結(jié)構(gòu)的諧振原理，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元周期為λ/2的整數(shù)倍時(shí)(λ為FSS諧振波長(zhǎng))，會(huì)在對(duì)應(yīng)頻率產(chǎn)生諧振，故P，W可由式(1)、(2)及要求的中心頻率(183 GHz)計(jì)算確定。與周期和線寬相比，金屬厚度T1對(duì)FSS傳輸性能的影響較小，故其選取可結(jié)合后續(xù)MEMS工藝的要求(金屬層不宜過厚，以便于電鍍)確定。當(dāng)通過理論方法算得P，W的大概取值后，由CST仿真將其頻率調(diào)整至183 GHz附近，然后再微調(diào)金屬厚度，使其中心頻率位于183 GHz。

一般來說，在FSS一側(cè)加載介質(zhì)層會(huì)降低FSS的中心頻率，同時(shí)若介質(zhì)層材料的損耗正切較大，則會(huì)使FSS結(jié)構(gòu)的插入損耗增大[10]。加載介質(zhì)層的厚度一般要小于λ/4，本文設(shè)計(jì)中，介質(zhì)層材料為Mylar(相對(duì)介電常數(shù)3.0，損耗正切0.001)，Mylar膜的厚度T2=100 μm(根據(jù)能購買的產(chǎn)品而定)。綜上，則由理論計(jì)算綜合CST MWS軟件仿真調(diào)整，可得對(duì)應(yīng)的FSS結(jié)構(gòu)參數(shù)為：P=630 μm；W=20 μm；T1=30 μm；T2=100 μm。

2 仿真結(jié)果與分析

仿真分析了單層金屬結(jié)構(gòu)FSS周期大小、線寬、金屬層厚度三個(gè)參數(shù)對(duì)FSS傳輸性能的影響，所得三個(gè)參數(shù)對(duì)單層FSS中心頻率與183 GHz插入損耗的影響如圖3所示。由圖3可知：FSS的中心頻率與周期大小成反比，與金屬厚度與線寬成反比，183 GHz的插入損耗與周期成反比，與金屬厚度與線寬成正比。

圖3 不同周期、金屬厚度和線寬對(duì)FSS 中心頻率和插入損耗的影響Fig.3 Center frequency and insertion loss of single layer FSS under different P, T1 and W

仿真分析了周期大小、線寬和金屬層厚度三個(gè)參數(shù)對(duì)單層FSS在118 GHz的隔離度與在118 GHz的反射損耗的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：FSS在118 GHz的隔離度與周期成反比，與金屬厚度及線寬成正比；FSS在118 GHz的反射損耗與周期成正比，與金屬厚度與及線寬成反比。

圖4 不同周期、金屬厚度和線寬對(duì)FSS 隔離度和反射損耗的影響Fig.4 Isolation and reflection loss of single layer FSS under different P, T1 and W

上述仿真結(jié)果為之后的多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。以下分析影響多層FSS結(jié)構(gòu)傳輸性能的兩個(gè)核心參數(shù)——介質(zhì)層厚度與金屬層層數(shù)。

2.1Mylar膜厚度

將多層FSS的金屬層數(shù)固定為6層，改變Mylar膜厚度，用仿真分析不同Mylar膜厚度下的多層FSS的傳輸特性，所得插入損耗如圖5所示。由圖5可知：Mylar厚度為200 μm時(shí)，183 GHz的插入損耗超過了1 dB，不符合設(shè)計(jì)要求，由此可排除厚度200 μm；Mylar厚度為300 μm時(shí)，183 GHz的插入損耗超過了0.3 dB，同樣不符合設(shè)計(jì)要求，且在該厚度下多層FSS的插入損耗波形抖動(dòng)過大，因此亦可排除厚度300 μm。

圖5 不同Mylar膜厚度下FSS插入損耗Fig.5 Insertion loss of FSS under different Mylar thickness

多層FSS的118 GHz隔離度與反射損耗如圖6所示。由圖6可知：Mylar膜厚度200，300 μm時(shí)，118 GHz隔離度均離22 dB較遠(yuǎn)，不符要求，且此時(shí)118 GHz的反射損耗均超過了0.3 dB，不符合指標(biāo)；Mylar膜厚度100 μm時(shí)各指標(biāo)均較優(yōu)異，183 GHz的插入損耗與118 GHz的反射損耗均小于0.3 dB，且118 GHz的隔離度接近22 dB。綜上，本文在Mylar膜厚度100 μm的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

圖6 不同Mylar厚度下FSS隔離度與反射損耗Fig.6 Isolation and reflection loss of FSS under different Mylar thickness

圖7 不同金屬層數(shù)下FSS插入損耗Fig.7 Insertion loss of FSS under different numbers of Cu layer

2.2金屬層數(shù)

根據(jù)前文仿真結(jié)果，取多層FSS的Mylar膜厚度為100 μm，用仿真研究不同金屬層數(shù)時(shí)FSS的傳輸特性。仿真所得FSS金屬層數(shù)為4，6，8時(shí)的插入損耗、隔離度和反射損耗分別如圖7、8所示。由圖7、8可知：當(dāng)Mylar膜厚度調(diào)整合適時(shí)，增加金屬層數(shù)，118 GHz處的隔離度增大，反射損耗減??；雖然層數(shù)增加，183 GHz的插入損耗增大，但均在0.3 dB內(nèi)，符合指標(biāo)要求，后續(xù)需進(jìn)行優(yōu)化，將中心頻率調(diào)整至183 GHz附近，同時(shí)使隔離度與反射損耗滿足指標(biāo)要求。

圖8 不同金屬層數(shù)下FSS隔離度與反射損耗Fig.8 Isolation and reflection loss of FSS under different numbers of Cu layer

2.3優(yōu)化結(jié)果

本文經(jīng)對(duì)Mylar厚度與金屬層數(shù)的仿真分析，以及優(yōu)化，得到最后的設(shè)計(jì)為：金屬層數(shù)8層，周期306 μm，線寬20 μm，金屬厚度20 μm，Mylar膜厚100 μm。性能仿真結(jié)果分別如圖9、10所示。由圖9、10可知：經(jīng)本文的仿真分析與優(yōu)化后，多層金屬結(jié)構(gòu)FSS的各項(xiàng)指標(biāo)已滿足要求，相應(yīng)頻段的插入損耗與反射損耗均小于0.3 dB，且118 GHz的隔離度大于22 dB。通帶的插入損耗和阻帶的反射損耗與隔離度，均在指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上留有較大的裕量，這為后期樣品的MEMS加工提供了保障。

圖9 優(yōu)化后FSS隔離度與反射損耗Fig.9 Isolation and reflection loss of FSS after optimization

圖10 優(yōu)化后FSS插入損耗Fig.10 Insertion loss of FSS after optimization

3 結(jié)論

本文采用軟件仿真研究了多層金屬微結(jié)構(gòu)FSS在不同相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的傳輸特性。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)多層結(jié)構(gòu)FSS，層與層間的耦合距離是一個(gè)較重要的參數(shù)，層與層間Mylar膜變厚之后，183 GHz插入損耗與118 GHz反射損耗都會(huì)增大。調(diào)整到合適的Mylar厚度(100 μm)后，通過疊加多層金屬結(jié)構(gòu)，可在滿足通帶低插入損耗的同時(shí)提高阻帶的隔離度，疊加的FSS金屬層數(shù)越多，118 GHz處的隔離度越大，但通帶插入損耗也越大，阻帶反射損耗減小。最后調(diào)整參數(shù)為：Mylar膜厚度100 μm，金屬層數(shù)8層，可使FSS在118 GHz處的隔離度大于22 dB，同時(shí)在175～191 GHz的插入損耗在0.14 dB以內(nèi)，在112～124 GHz的反射損耗在0.1 dB以內(nèi)(均優(yōu)于0.3 dB)。

通過對(duì)毫米波段介質(zhì)型頻率選擇表面的設(shè)計(jì)與仿真，本文對(duì)太赫茲多層介質(zhì)型FSS的研究進(jìn)行了探索。通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，本方案設(shè)計(jì)可基于國內(nèi)現(xiàn)有的MEMS工藝條件進(jìn)行實(shí)物加工和性能測(cè)試，有其工程適用性。雖然目前僅處于理論研究與仿真階段，但后續(xù)的研究將從方案設(shè)計(jì)出發(fā)，進(jìn)行多層介質(zhì)型FSS的實(shí)物加工與性能測(cè)試，通過改良MEMS工藝，使加工得到的多層FSS具優(yōu)異的傳輸性能，能實(shí)際用于準(zhǔn)光學(xué)饋電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

[1] 劉佳, 張新剛, 周衛(wèi)來, 等. 星載太赫茲輻射計(jì)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2016, 31(2): 406-412.

[2] SCHOEBERL M R, DOUGLASS A R, NRATHE H, et al. Overview of the EOS AURA mission[J]. IEEE Trans GeoSci Remote Sens, 2006, 44(5): 1066-1074.

[3] MEDVEDEV I R, BEHNKE M, LUCIA F C. Fast analysis of gases in the sub-millimeter/terahertz with absolute specificity[J]. Appl Phys Lett, 2005, 86: 1-10.

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

[5] ADE P A R, PISANO G, TUCKER C, et al. A review of metal mesh filters[C]// SPIE Astronomical Telescopes Instrumentation. Orlando: International Society for Optics and Photonics, 2006: 62750U.

[6] 賈宏燕, 李田澤, 楊淑連, 等. 開口圓環(huán)單元帶通頻率選擇表面的仿真與測(cè)試[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(12): 77-80.

[7] 林彬彬, 陳迪, 林樹靖, 等. UV-LIGA技術(shù)制備頻率選擇表面的研究[J]. 微納電子技術(shù), 2015, 52(9): 597-602.

[8] KAMAL S, NADER B. A frequency selective surface with miniaturized elements[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2007, 55(5): 1239-1245.

[9] FILIPPO C, AGOSTINO M, GIULIANO M. Efficient analysis of frequency-selective surfaces by a simple equivalent-circuit model[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2012, 54(4): 35-48.

[10] 王煥青, 呂明云, 武哲, 等. 介質(zhì)加載對(duì)頻率選擇表面?zhèn)鬏斕匦杂绊懙膶?shí)驗(yàn)研究[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2005, 24(1): 27-30.

DesignandSimulationonMillimeterWaveMultilayerFrequencySelectiveSurfaceBasedonMylarSubstrate

WEI Qian1, 2， CHEN Di1, 2， LIU Mi-feng3， YUAN Tao3， CUI Da-xiang1, 2

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Engineering Research Center for Intelligent Diagnosis and Treatment Instrument,Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

Aim at the requirement of quasi optical feed network system for high frequency separation device, a millimeter wave multilayer frequency selective surface (FSS) based in Mylar substrate was studied in this paper, which could transmit 183 GHz signal and reflect 118 GHz signal. The medium FSS based on multilayer metal structure was designed. The multilayer copper with square hole structure are inlayed in multilayer of Mylar, which dielectric constant is 3.0 and tangent loss is 0.001. The center frequency is about 183 GHz. The FFS has the performance of transmission to the wave with the frequency 175～191 GHz and reflection to the wave with the frequency 112～124 GHz. The effect of Mylar substrate thickness and metal layers on the transmission performance of FFS was analyzed by simulation through CST MWS software. The structure parameters were optimized. The results show that both of insert loss and reflect loss are lower than 0.3 dB for FFS designed in relative frequency band, and isolation is better than 22 dB at the frequency 118 GHz when Mylar thickness is 100 μm, copper is 8 layers, period is 306 μm, line width is 20 μm and metal thickness is 20 μm. All performances satisfy the design requirements.

millimeter wave; 183 GHz/118 GHz; Mylar; multilayer metallic microstructure; frequency selective surface (FSS); structure parameter; insertion loss; reflect loss; isolation

1006-1630(2017)04-0164-06

2016-09-12；

：2017-02-23

韋 黔(1991—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)轭l率選擇表面仿真設(shè)計(jì)與MEMS加工。

TN802

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.020