樊 康 鮑卓如 何小祥 楊 陽

（南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京，210016）

引 言

頻率選擇表面（Frequency－selective surface，F(xiàn)SS）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于通信和雷達(dá)系統(tǒng)，并且一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1－3］。傳統(tǒng)的FSS設(shè)計(jì)成型后，其工作帶寬、諧振頻率等參數(shù)是固定的，不能適應(yīng)外部電磁環(huán)境的變化。自20世紀(jì)80年代英國KENT大學(xué)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(guān)注。目前，實(shí)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?nèi)莨芎蚉IN 管［5，6］；（2）使用電磁特性可變的介質(zhì)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(diào)控方式更多樣，且對(duì)環(huán)境要求低。

本文采用十字型貼片和方形縫隙互補(bǔ)模型，在十字貼片之間加載PIN管，得到一個(gè)新型有源FSS。針對(duì)此模型，著重研究了PIN管開啟和關(guān)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(duì)插入相移的影響。

1 理論分析

本文所采用的FSS結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中深色部分代表金屬，淺色部分代表介質(zhì)板。介質(zhì)板材料為FR4－expoxy，相對(duì)介電常數(shù)約為4.4，介質(zhì)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(yīng)，可以等效為互感。中間的介質(zhì)層可以等效為短傳輸線，其長(zhǎng)度等于介質(zhì)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(gè)結(jié)構(gòu)的等效電路

圖4 PIN管正向偏置下等效電路

當(dāng)PIN管不工作的時(shí)候，可以等效成一個(gè)很大的電阻［12］，由等效電路可以得到此結(jié)構(gòu)的特性阻抗方程式為［13，14］

計(jì)算方程式得到1個(gè)零點(diǎn)和2個(gè)極值點(diǎn)。當(dāng)阻抗為0時(shí)，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(shí)，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(dāng)PIN管開始工作時(shí)，特性阻抗方程式為

由于PIN管完全導(dǎo)通時(shí)電阻值很小，計(jì)算時(shí)方程可以等效為

計(jì)算得1個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極值，此時(shí)有源FSS表現(xiàn)為單通帶。

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

2 仿真和測(cè)試結(jié)果分析

本文使用型號(hào)為BAP70－03的PIN管，采用鍍膜和光刻技術(shù)制造有源FSS的實(shí)驗(yàn)樣本，大小為180mm×163mm，5行6列共30個(gè)單元，加載了24個(gè)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(hào)PIN管工作時(shí)表現(xiàn)出阻值在1Ω到300Ω之間變換，通過改變調(diào)節(jié)器件偏置電壓或偏置電流來實(shí)現(xiàn)阻值變化。

圖7表示的是平面波垂直入射，電場(chǎng)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(jié)果。由圖可知，這種加載方式能對(duì)第1個(gè)通帶進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。當(dāng)PIN二極管不工作時(shí)，第一諧振頻點(diǎn)為2.2GHz，諧振頻點(diǎn)處插損為1.3 dB，－10dB帶寬為1.7～2.5GHz；而當(dāng)PIN二極管阻值從300Ω降低到1Ω時(shí)（即偏置電壓增加，PIN二極管阻值減?。?，在1.7～2.5GHz的頻帶內(nèi)，傳輸特性曲線在－10dB以下，當(dāng)阻值為1Ω時(shí)，在這個(gè)頻帶內(nèi)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(shí)下降16.3dB，形成良好的隔離度?？刂芇IN管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了低頻處帶通和帶阻的切換。相應(yīng)地，在PIN二極管不工作時(shí)，第二諧振頻點(diǎn)在4.02GHz，諧振頻點(diǎn)處插入損耗為1.58dB；而當(dāng)PIN二極管阻值從300Ω降低到1Ω時(shí)，PIN二極管阻值的改變對(duì)第二諧振頻點(diǎn)影響甚小。

圖5 實(shí)驗(yàn)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(huì)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(guān)兩個(gè)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(shí)，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(shí)其帶寬逐漸減??；與TE波相反，TM波入射角從0°增加到75°時(shí)，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(chǎng)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(dǎo)致了TE波和TM波以不同入射角度照射FSS時(shí)，F(xiàn)SS的傳輸特性曲線呈現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。

電磁波通過一定厚度的不同介質(zhì)時(shí)，將會(huì)引起一定的相位滯后。對(duì)于平面波通過兩種不同的無損耗、一定厚度的介質(zhì)層的相移量之差，稱為插入相位延時(shí)（Insertion phase delay，IPD）［15］。對(duì)FSS傳輸特性研究一般針對(duì)主極化狀態(tài)，即TE和TM極化（相應(yīng)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(guān)閉時(shí)的IPD特性。結(jié)果表明，在PIN管關(guān)閉時(shí)，在TE波與TM波下，此FSS結(jié)構(gòu)傳輸曲線有共同諧振點(diǎn)，在諧振頻點(diǎn)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(yīng)的IPD在諧振處附近變化更劇烈。當(dāng)PIN管開啟時(shí)，在TE與TM下傳輸曲線不相交，IPD也無相同點(diǎn)，并且曲線相應(yīng)都比較平緩。

圖9 不同狀態(tài)下的IPD變化

圖10表示的是實(shí)驗(yàn)樣板在微波暗室中測(cè)試結(jié)果。首先記錄了實(shí)驗(yàn)背景噪聲，兩喇叭直通時(shí)傳輸系數(shù)在－5dB左右波動(dòng)。

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(dāng)外加電壓為0V時(shí)，PIN管關(guān)閉，傳輸系數(shù)曲線在－8dB附近，減去測(cè)試路徑損耗5dB，傳輸系數(shù)為－3dB。當(dāng)外加電壓在0～2V之間時(shí)，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(gè)PIN管的電壓小于PIN管閥值，此時(shí)PIN管還沒有工作。當(dāng)外加電壓在2～3V時(shí)（每個(gè)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(dāng)外加電壓大于3V，每個(gè)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(jīng)完全導(dǎo)通。比較圖7與圖10，仿真結(jié)果中在諧振頻點(diǎn)2.2GHz，傳輸系數(shù)從－1.3dB降到－17.6dB，有16.3dB的動(dòng)態(tài)變化范圍，實(shí)測(cè)結(jié)果是在1.8GHz處傳輸系數(shù)從－8dB降到了－25 dB，有17dB的動(dòng)態(tài)變化范圍，實(shí)測(cè)與仿真的效果基本一致。

圖10 頻率響應(yīng)測(cè)試值

圖11 1.8GHz處的傳輸特性測(cè)試值

3 結(jié)束語

本文通過在互補(bǔ)結(jié)構(gòu)FSS上加載PIN管，設(shè)計(jì)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(shí)物測(cè)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(dòng)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(shè)計(jì)提供借鑒。

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