廖章奇，丁 凡，徐 峰，冀 航

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類電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)的入射不敏感頻率選擇表面研究

廖章奇，丁 凡，徐 峰，冀 航

（中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064）

基于微波頻段內(nèi)的類電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)（Mimic Electromagnetic Induced Transparency, MEIT），設(shè)計了一種對入射電磁波不敏感的頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）。對頻率選擇表面在不同入射角度（0°~80°）以及不同極化方式（TE、TM）下的透射、反射特性進(jìn)行數(shù)值仿真；同時通過仿真頻率選擇表面的表面電流分布以及能流分布，分析了頻率選擇表面中類電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制。結(jié)果表明，類電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)的非相干特性，使得設(shè)計的頻率選擇表面在所需頻段內(nèi)表現(xiàn)出極強(qiáng)的入射穩(wěn)定性，對入射電磁波的入射角度以及極化方式均不敏感，在雷達(dá)天線罩領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

微波頻段；頻率選擇表面；類電磁誘導(dǎo)透明；極化穩(wěn)定；角度穩(wěn)定；雷達(dá)天線罩

將頻率選擇表面（Frequency Selective Surface, FSS）[1]技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的復(fù)合材料雷達(dá)天線罩中，可以實現(xiàn)帶內(nèi)透波、帶外屏蔽的濾波功能，提高雷達(dá)天線罩隱身性能，在水面艦船、飛行器等武器裝備的隱身性能設(shè)計中得到極大應(yīng)用[2-4]。鑒于雷達(dá)天線罩的表面形狀以及雷達(dá)天線的探測視角，入射到罩面的電磁波存在不同的入射角度以及極化形式，因此FSS對入射電磁波的角度以及極化敏感性決定了頻選雷達(dá)天線罩濾波性能的穩(wěn)定性。

已有的研究表明[5-6]，通過優(yōu)選分形可實現(xiàn)FSS對入射角度穩(wěn)定，但FSS單元圖形較復(fù)雜；采用加載電解質(zhì)方式可改善大角度入射時FSS的傳輸特性，但會增加傳輸損耗；對FSS單元的排布方式進(jìn)行設(shè)計可提高電磁波正入射時的極化穩(wěn)定性，但大角度入射時穩(wěn)定性較差。

電磁誘導(dǎo)透明（Electromagnetic Induced Transparency, EIT）是一種量子干涉效應(yīng)，主要應(yīng)用于非線性光學(xué)、慢光和光存儲等領(lǐng)域[7-9]。近年來，微波頻段內(nèi)類EIT效應(yīng)在濾波器中的潛在應(yīng)用也逐漸引起了廣泛關(guān)注[10]，但利用微波頻段內(nèi)的類EIT效應(yīng)實現(xiàn)頻選天線罩的帶通特性在相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)中較少提及。

本文從頻選雷達(dá)天線罩對入射電磁波穩(wěn)定應(yīng)用需求出發(fā)，利用微波頻段內(nèi)類EIT效應(yīng)的非相干特性，設(shè)計了一種入射角度以及極化方式均不敏感的頻率選擇表面。采用簡單的雙方環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種入射穩(wěn)定的FSS結(jié)構(gòu)，對其在0°~80°入射角范圍以及TE、TM極化方式下的透射、反射特性進(jìn)行仿真對比分析，結(jié)果表明，利用類EIT效能能夠?qū)崿F(xiàn)FSS工作頻段內(nèi)電磁波入射角以及極化方式不敏感特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文分別設(shè)計了單方環(huán)FSS貼片周期結(jié)構(gòu)（圖1（a）與（b））以及雙方環(huán)FSS貼片周期結(jié)構(gòu)（圖1（c）與（d）），灰色為金屬部分，在、方向上周期性排列。

單方環(huán)FSS單元圖形尺寸：單元周期間隔=18 mm、方環(huán)邊長=16 mm、單方環(huán)的線寬=1 mm。雙方環(huán)FSS單元圖形尺寸：單元周期間隔=18 mm、外方環(huán)邊長1=16 mm、內(nèi)方環(huán)邊長2=12 mm、外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)的線寬1=2=1 mm。FSS單元圖形采用厚度20 μm的金屬銅，襯底采用FR4介質(zhì)材料，相對介電常數(shù)r= 4.9(1+i0.025)，厚度=0.3 mm。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 傳輸特性分析

分別對單方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)以及雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)在垂直入射情況下的傳輸特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示。單方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)僅在4.4 GHz附近表現(xiàn)出帶阻特性；雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)在3.9 GHz(I)以及7.4 GHz(III)附近表現(xiàn)出帶阻特性，在4.9 GHz(II)附近表現(xiàn)出帶通特性。

對比分析單方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)以及雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)的傳輸特性可以看出，雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)在單方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)原本表現(xiàn)出帶阻特性的頻段內(nèi)，形成了一個透射率90%以上的通帶陡峭尖峰。即雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)在原本電磁不透明的頻段內(nèi)裂變出現(xiàn)了一個新的電磁透明區(qū)域，該區(qū)域表現(xiàn)出較高的品質(zhì)因數(shù)≈5，形成微波頻段內(nèi)的類EIT效應(yīng)。兩種FSS結(jié)構(gòu)的傳輸特性對比如表1所示。

表1 垂直入射條件下單方環(huán)以及雙方環(huán)FSS傳輸特性對比

Tab.1 Transmission comparion of single and double square loops at normal incidence

FSS頻點/GHz帶通頻段/GHz（透射率大于90%）帶阻頻段/GHz（反射率大于90%） 單方環(huán)FSS4.44.0~4.8 雙方環(huán)FSS3.93.7~4.0 4.94.6~5.2 7.46.9~7.9

2.2 類EIT效應(yīng)分析

為分析雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)產(chǎn)生類EIT效應(yīng)的物理機(jī)制，對其在3.9，4.9以及7.4 GHz處的表面電流分布情況以及表面電流相位分布情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，在3.9 GHz處，外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)的表面電流方向相反，并且外方環(huán)表面電流要遠(yuǎn)大于內(nèi)方環(huán)表面電流，同時存在類似于電偶極子以及磁偶極子的諧振機(jī)制；由于內(nèi)方環(huán)表面電流極弱（接近于0），3.9 GHz處磁偶極子諧振幾乎可以忽略不計，此時電偶極子諧振機(jī)制起主要作用。從圖3(c)可以看出，在7.4 GHz處，外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)的表面電流方向相同，并且內(nèi)方環(huán)表面電流要遠(yuǎn)大于外方環(huán)表面電流，此時僅存在類似于電偶極子的諧振機(jī)制。因此，在諧振頻點3.9，7.4 GHz處，雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)表面電流主要分布在外方環(huán)或內(nèi)方環(huán)上，此時起主要作用的為電偶極子諧振，反向輻射電磁波，表現(xiàn)出帶阻特性。

由圖3(b)可以看出，在4.9 GHz處，外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)的表面電流方向相反，但外方環(huán)表面電流大小與內(nèi)方環(huán)表面電流大小幾乎相等，這與3.9，7.4 GHz處表面電流分布情況完全不同，此時電偶極子諧振幾乎可以忽略不計。由于外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)的表面電流相位分布情況相反（如圖3(e)所示），雙方環(huán)FSS左半部分為逆時針方向的表面電流，右半部分為順時針方向的表面電流，此時左半部分與右半部分磁偶極子諧振作用相互耦合抵消，幾乎不存在反向輻射的電磁波，入射電磁波大部分通過FSS結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出帶通特性。此時雙方環(huán)FSS形成非相干周期結(jié)構(gòu)，對入射電磁波的入射角以及極化方式均不敏感。

為進(jìn)一步分析雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)類EIT效應(yīng)的諧振特性，對FSS在3.9，4.9以及7.4 GHz處的能量分布情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4中的能流分布以及能量等值線分布。結(jié)合圖3中的表面電流分布情況分析，從圖4(a)與圖4(c)可以看出，在帶阻頻段中心頻點3.9，7.4 GHz處，偶極子諧振機(jī)制使得電磁波能量分別集中于外方環(huán)以及內(nèi)方環(huán)并被大量反射，入射電磁波幾乎不能通過雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)；而從圖4(b)可以看出，在帶通頻段中心頻點4.9 GHz處，由于外方環(huán)與內(nèi)方環(huán)表面電流相反，內(nèi)、外方環(huán)之間的弱互耦機(jī)制使得入射電磁波大部分經(jīng)雙環(huán)之間的縫隙通過FSS結(jié)構(gòu)，使得該區(qū)域內(nèi)的能量密度大幅度提高。

(a) 3.9 GHz；(b) 4.9 GHz；(c) 7.4 GHz

圖4 雙方環(huán)FSS能流分布（左）以及能量等值線分布（右）

Fig.4 Power flow arrow (left ) and isoline (right ) distributions of double square loops

2.3 入射不敏感特性分析

由于雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)類EIT效應(yīng)表現(xiàn)出的非相干特性，此時FSS在類EIT效應(yīng)出現(xiàn)的頻段內(nèi)對入射電磁波不敏感，仿真結(jié)果如圖5所示。電磁波入射角范圍為0°~80°，極化方式分別為TE極化以及TM極化。

（a）、（b）TE極化；（c）、（d）TM極化

圖5 TE以及TM極化下雙方環(huán)FSS在不同入射角下的透射特性（左）與反射特性（右），虛線表示類EIT效應(yīng)頻段的中心頻點

Fig.5 Transmission (Left) and reflection (Right) properties of double square loops at different incident angles with TE and TM polarizations

在TE以及TM極化、入射角0°（垂直入射）情況下，雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)類EIT效應(yīng)頻段的中心頻點(4.9 GHz)以及通帶帶寬（0.6 GHz）幾乎保持一致，并且在較寬的入射角域范圍內(nèi)均保持穩(wěn)定。對于TE極化電磁波，中心頻點在0°~80°入射角度范圍之內(nèi)均穩(wěn)定在4.9 GHz附近，變化范圍保持在2%以內(nèi)；類EIT效應(yīng)帶寬（透射率90%以上）在0°~45°之內(nèi)均能保持在0.6 GHz左右，減幅30%以內(nèi)。對于TM極化電磁波，中心頻點在0°~80°入射角度范圍之內(nèi)同樣能穩(wěn)定在4.9 GHz附近，變化范圍2%以內(nèi)；而類EIT效應(yīng)帶寬（透射率90%以上）在0°~55°之內(nèi)能保持在0.6 GHz左右，增幅30%以內(nèi)。因此雙方環(huán)FSS結(jié)構(gòu)的類EIT效應(yīng)帶通諧振峰具有寬入射角以及極化不敏感特性。

3 結(jié)論

對電磁波入射角度以及極化方式的敏感性決定了FSS結(jié)構(gòu)傳輸特性的穩(wěn)定性。本文利用微波頻段內(nèi)類EIT效應(yīng)的非相干特性，設(shè)計了一種對入射角以及極化方式均不敏感的頻率選擇表面。結(jié)果表明：FSS結(jié)構(gòu)的中心頻點以及通帶帶寬（透射率90%以上）對入射角度以及極化方式均不敏感，分別可穩(wěn)定在4.9 GHz以及0.6 GHz。因此將微波頻段內(nèi)的類EIT效應(yīng)引入到頻率選擇表面中，將會為設(shè)計入射不敏感的頻選雷達(dá)天線罩提供一條新的思路。

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Frequency selective surface with incidence insensitive properties mimicking electromagnetic induced transparency

LIAO Zhangqi, DING Fan, XU Feng, JI Hang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

An incidence-insensitive frequency selective surface (FSS) was designed, which was based on the mimic electromagnetic induced transparency (MEIT) within microwave frequency band. The transmission and reflection properties were numerically simulated in the conditions of TE and TM polarizations, and incident angles sweeping from 0° to 80°. Meanwhile, the insight physical pictures of FSS’s mimic electromagnetic induced transparency were illustrated by the ways of simulating surface current and power flow distributions. Results indicate that the designed FSS could present strong incidence stable properties, including insensitive incident angles and polarizations, because of the incoherent mimic electromagnetic induced transparency. This could be potentially used in the field of radomes.

microwave band; frequency selective surface; mimic electromagnetic induced transparency; polarization stable; incidence angle independent; radome

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.010

TN820.1

A

1001-2028（2016）09-0045-04

2016-07-20 通訊作者：廖章奇

廖章奇（1985－），男，湖北黃石人，博士，主要從事艦船總體設(shè)計，E-mail: lzq701@163.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-02 11:11:56 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1111.011.html

（編輯：陳渝生）