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(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室， 江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 江蘇南京 210044)

0 引言

頻率選擇表面是由諧振單元按照一定規(guī)律排列成的二維周期性平面結(jié)構(gòu)，對電磁波具有頻率選擇和極化選擇的特性，能夠有效地控制電磁波的透射和反射。頻率選擇表面主要分為貼片型和孔徑型兩種，貼片型是在介質(zhì)基板表面周期性地印上規(guī)則的導(dǎo)體貼片；而孔徑型是在金屬板上周期性地開一些槽孔。這兩種類型分別表現(xiàn)出全反射(貼片型)、全透射(孔徑型)，分別被稱為帶阻型FSS或帶通型FSS[1-3]。頻率選擇表面的應(yīng)用十分廣泛，在天線罩[4]、極化器[5]、雷達截面(Radar Cross Section, RCS)[6]以及電磁吸收材料[7]等領(lǐng)域都有涉及。

目前關(guān)于多頻段雙極化FSS結(jié)構(gòu)的研究有很多。如文獻[8]基于矢量模式匹配法設(shè)計的方環(huán)復(fù)合Y型FSS結(jié)構(gòu)，在0°～45°范圍內(nèi)，Ku/Ka波段傳輸特性良好[8]。文獻[9]中設(shè)計了雙層Ku/Ka波段FSS結(jié)構(gòu)用于天線副反射面，實現(xiàn)了Ka波段透射、Ku波段反射的特性。文獻[10]利用FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種Ka波段圓極化微帶反射陣天線有效抑制了耦合，提高了增益，展寬了帶寬。由于35 GHz和94 GHz這兩個中心頻率處大氣傳播衰減較小，是毫米波中最常用的兩個頻段，研究這兩個頻段基于FSS結(jié)構(gòu)的雙反射面天線是毫米波氣象雷達發(fā)展的需要，對國內(nèi)毫米波技術(shù)研究發(fā)展具有重要意義[11]，而這一技術(shù)最為關(guān)鍵的是用作副反射面的特定FSS結(jié)構(gòu)，因此本文主要設(shè)計了一種新型FSS結(jié)構(gòu)。

1 新型扇形環(huán)狀FSS結(jié)構(gòu)的物理模型設(shè)計與分析

1.1 FSS理論分析

當(dāng)平面電磁波照射FSS構(gòu)成的周期結(jié)構(gòu)是：每個單元都將產(chǎn)生感應(yīng)電流，其大小由入射電磁波與FSS單元之間的耦合能量決定。該感應(yīng)電流進而激發(fā)產(chǎn)生的散射場與原本入射場疊加形成了一個新的總場，這個總場對某個特定頻率具有空間濾波特性[1]。

FSS周期結(jié)構(gòu)滿足Floquet定理，除了相差一個相位因子，在相距為周期整數(shù)倍的橫截面上FSS的場分布相同，并且滿足相同的分布函數(shù)。因此，F(xiàn)SS的輻射場可以用一組Floquet模表達。根據(jù)Floquet定理，周期結(jié)構(gòu)的散射電磁場滿足：

Ψ(x+p,y,z)=Ψ(x,y,z)e-jβx0p

(1)

式中,Ψ(x,y,z)為沿X軸周期變化的周期系統(tǒng)中任意一點的場，p為單元周期邊長，βx0為基波的傳播常數(shù)。

因為Ψ(x,y,z)是單元周期邊長p的周期函數(shù)，所以可以展開為傅里葉級數(shù)：

(2)

式中，an(y,z)為Floquet空間諧波的振幅。

1.2 物理模型設(shè)計

本文將矩形環(huán)每條邊順時針延長，再沿貼片的四周開槽矩形孔徑，設(shè)計了一個在Ka波段透射、W波段反射的新型扇形環(huán)狀FSS結(jié)構(gòu)[12]，然后將其兩側(cè)加載介質(zhì)板，如圖1所示。

圖1(a)為FSS雙邊加載介質(zhì)板的側(cè)視圖，圖1(b)為FSS單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖1(c)為FSS單元結(jié)構(gòu)的三維圖。圖中淺色代表介質(zhì)基板，深色代表厚度為0.035 mm的金屬銅。優(yōu)化后的參數(shù)值為：單元周期邊長p=2.91 mm，該結(jié)構(gòu)矩形環(huán)邊長l1=2.02 mm，內(nèi)側(cè)小矩形貼片邊長l2=1.45 mm，縫隙寬度w=0.26 mm，挖去的矩形孔徑長l3=1.19 mm，寬s=0.26 mm。介質(zhì)層采用非常適用于高頻且傳輸損耗較低的Rogers5880，相對介電常數(shù)εr=2.2，介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.000 9，厚度d=0.508 mm。參數(shù)值如表1所示。

表1 頻率選擇表面的參數(shù)值

2 仿真結(jié)果分析

本文全部采用Ansoft HFSS軟件對FSS進行仿真。利用Master+Slave邊界條件，模擬無限大平面周期結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對FSS傳輸特性的分析;通過Floquet端口可以設(shè)置電磁波的入射方向和極化方式，便于研究FSS結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。

2.1 幾何參數(shù)對傳輸特性的影響

矩形環(huán)邊長l1的影響研究，分別取l1=1.9 mm，2.0 mm和2.1 mm，垂直電磁波入射時FSS的頻率響應(yīng)特性如圖2所示。隨著l1的增大，通帶中心頻率向左偏移，分別為36.1，35.2 和33.8 GHz，-0.5 GHz通帶帶寬基本不變。阻帶中心頻點偏移量小，幾乎不產(chǎn)生影響。由仿真結(jié)果知，l1只對通帶諧振頻點起到調(diào)節(jié)作用。

內(nèi)部矩形貼片邊長l2的影響研究，分別取l2=1.4 mm，1.5 mm和1.6 mm，垂直電磁波入射時FSS的傳輸特性如圖3所示。隨著l2的增大，通帶和阻帶的中心頻率均向左偏移，分別為36.1,35.2，33.8，94.5，93.9和92.6 GHz，-0.5 dB通帶帶寬略有減小，-20 dB的阻帶帶寬逐漸增大。結(jié)果表明，l2對通帶和阻帶同時起到調(diào)節(jié)作用。

矩形環(huán)間隙w的影響研究，分別取w=0.1 mm，0.2 mm和0.3 mm，垂直電磁波入射時FSS的傳輸特性如圖4所示。隨著w的增大，阻帶中心頻率向左偏移，分別為98.1，96.4和91.9 GHz，-20 dB阻帶帶寬逐漸增大。與阻帶相比，通帶中心頻點變化量很小，幾乎不受影響，即w主要對阻帶起調(diào)節(jié)作用。

2.2 入射角和極化方向?qū)鬏斕匦缘挠绊?/h3>

在不同入射角度和極化方向下，F(xiàn)SS傳輸特性的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5給出了不同極化時FSS傳輸特性。由圖5(a)可以看出，不同極化下通帶中心頻率均為35 GHz，插損為0.02 dB，-0.5 dB帶寬為5.85 GHz，基本實現(xiàn)全透射。圖5(b)顯示，不同極化下阻帶中心頻率為94 GHz，反射系數(shù)達到-54.57 dB，-20 dB帶寬為4.23 GHz。通過分析發(fā)現(xiàn)，不同極化下阻帶和通帶的頻響特性曲線基本一致，證明所設(shè)計的FSS結(jié)構(gòu)具有極化穩(wěn)定性。

圖6是TE極化下不同入射角的傳輸特性。從圖6(a)可以得到，隨著入射角從0°到30°的增加，中心諧振點未發(fā)生偏移，透射率在-0.03 dB以上，基本實現(xiàn)全透射，-0.5 dB帶寬略有減小。從圖6(b)看出，隨著角度的增加，阻帶諧振頻率向高頻偏移，-20 dB帶寬基本保持不變。雖然在入射角較大時阻帶中心頻點發(fā)生了偏移，但是偏移率小于3.6%，反射系數(shù)優(yōu)于-0.14 dB，且在Ka波段穩(wěn)定性良好，實現(xiàn)了濾波特性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型扇形環(huán)狀FSS結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不斷地仿真優(yōu)化，實現(xiàn)了在Ka波段(35 GHz)透射，而在W波段(94 GHz)反射，且諧振頻率在35 GHz時透射系數(shù)在-0.03 dB以上，基本達到了全透射的要求，諧振頻率在94 GHz時反射系數(shù)優(yōu)于-0.14 dB，基本實現(xiàn)了全反射。這種結(jié)構(gòu)對垂直極化和水平極化的入射波均具有良好的穩(wěn)定性，并且對0°～30°范圍內(nèi)的入射角不敏感，通帶和阻帶的帶寬也比較寬。為FSS應(yīng)用于卡塞格倫天線的副反射面的設(shè)計提供了一種在Ka波段透射、W波段反射的寬帶，極化和角度穩(wěn)定的低通高阻型頻率選擇表面。為進一步設(shè)計和實驗35 GHz和94 GHz雙頻共面天線提供了設(shè)計基礎(chǔ)。