王超 李勇峰沈楊 豐茂昌 王甲富 馬華 張介秋 屈紹波

(空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,西安 710051)

本文提出了一種基于人工表面等離激元的頻率選擇結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法:將設(shè)計(jì)的頻率選擇表面和金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列相結(jié)合得到一種新的頻率選擇結(jié)構(gòu).文中采用這種方法設(shè)計(jì)了一種具有陡截止和高透、高抑制性能的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)由金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列和上下兩層相同的頻率選擇表面復(fù)合而成.通過仿真可得,該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)通帶頻率范圍分別是3.0—4.1和10.5—10.9 GHz,透射率均在?0.5 dB以上.透射率低于?10 dB的頻率范圍是4.7—9.2和12.1—18 GHz.在12.4—15.5 GHz頻率范圍內(nèi),該結(jié)構(gòu)的透射率甚至低于?20 dB.在通帶內(nèi),電磁波可以高效地透過該結(jié)構(gòu);在阻帶內(nèi),該結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的透射具有較好的抑制作用.測(cè)試結(jié)果表明用這種方法設(shè)計(jì)出的頻率選擇結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能和仿真基本一致.在金屬魚骨結(jié)構(gòu)空隙中填入輕質(zhì)泡沫后該結(jié)構(gòu)具有一定的力學(xué)承載性能,可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì).

1 引 言

頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)是一種由金屬貼片或孔徑單元組成的二維周期陣列,對(duì)不同頻率的電磁波表現(xiàn)出帶通或帶阻的頻譜濾波特性,即在特定頻帶內(nèi)的電磁波可以全部通過,而在另一些頻帶內(nèi)的電磁波被全部反射,已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)(天線)罩[1]、電磁兼容及電磁屏蔽、拋物面天線的副反射面和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域.隨著FSS的發(fā)展,FSS單元的結(jié)構(gòu)組成已不僅限于傳統(tǒng)的孔徑型和貼片型兩種結(jié)構(gòu),還有雙層或多層耦合結(jié)構(gòu)[2?5]、分形結(jié)構(gòu)[6]、基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[7?11]、小型單元結(jié)構(gòu)等[12].人工表面等離激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)[13?19]是微波頻段的表面等離激元,能量沿著材料或結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑ゲ⒈煌耆钟蛟诓牧匣蚪Y(jié)構(gòu)表面附近.由于電磁波在SSPP中的傳播常數(shù)遠(yuǎn)大于在自由空間中的傳播常數(shù),因此SSPP可以將自由空間中的電磁波耦合到結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?提高透射效率.

本文所設(shè)計(jì)的頻率選擇結(jié)構(gòu)是將FSS與金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列相結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)通阻帶與截止頻率的可調(diào)節(jié),提高工作頻帶內(nèi)電磁波的透射率.設(shè)計(jì)該頻率選擇結(jié)構(gòu)時(shí),第一步是設(shè)計(jì)金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列,需要調(diào)節(jié)金屬魚骨結(jié)構(gòu)中橫向最長(zhǎng)金屬線的長(zhǎng)度來確定截止頻率的位置.然后優(yōu)化周期、高度和金屬線間距等參數(shù)來提高SSPP的耦合效率,從而提升通帶內(nèi)的透射率.第二步是設(shè)計(jì)FSS,它的作用是在金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列的低頻寬通帶內(nèi)引入傳輸零點(diǎn),從而產(chǎn)生新的通帶特性.為了使新的頻率選擇結(jié)構(gòu)具有雙通帶特性,設(shè)計(jì)的FSS也應(yīng)當(dāng)有雙通帶特性.同時(shí),為了抑制電磁波在非工作頻段內(nèi)的透射,在FSS上加載了集總電阻,吸收部分電磁波.最后將金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列與FSS組合優(yōu)化,得到雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu).

傳統(tǒng)的FSS實(shí)現(xiàn)陡截止特性通常通過增加介質(zhì)厚度來實(shí)現(xiàn),這樣結(jié)構(gòu)的面密度和插入損耗都會(huì)增大.但利用金屬魚骨結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的頻率選擇結(jié)構(gòu)透射率高、面密度小.在通帶內(nèi),頻率選擇結(jié)構(gòu)的透射率均在?0.5 dB以上.使用時(shí)可將輕質(zhì)泡沫填充到金屬魚骨結(jié)構(gòu)中來提高頻率選擇結(jié)構(gòu)的力學(xué)承載性能,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì).

圖1 (a)等長(zhǎng)金屬線陣列結(jié)構(gòu)上SSPP的色散曲線,插圖為等長(zhǎng)金屬線陣列結(jié)構(gòu)示意圖(c1=0.25 mm,m=0.25,n=13.4 mm,w1=0.2 mm);(b)金屬線陣列結(jié)構(gòu)示意圖;(c)金屬魚骨結(jié)構(gòu)視圖;(d)x-極化波和y-極化波垂直入射下的金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列透射率仿真結(jié)果Fig.1.(a)The simulated dispersion curves of SSPP on the metallic blade array structure with uniform-length blades,inset is the schematic diagram of the metallic blade array structure with uniform-length blades(with c1=0.25 mm,m=0.25,n=13.4 mm,w1=0.2 mm);(b)schematic diagram of the metallic blade array structure;(c)schematic diagram of the metallic f i shbone structure;(d)simulated transmissivities of the metallic f i shbone structure under x-and y-polarized waves normal incidence.

2 具有陡截止和高透高抑制性能的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)[20]是由上下兩層相同的FSS和一層金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列組成的夾芯結(jié)構(gòu).為了設(shè)計(jì)具有高效透射性能的金屬線陣列結(jié)構(gòu),首先對(duì)等長(zhǎng)金屬線陣列結(jié)構(gòu)上SSPP的色散進(jìn)行了研究,模型結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖1(a)所示.圖中等長(zhǎng)金屬線陣列左右兩側(cè)的介質(zhì)都是厚度為0.3 mm的F4B(介電常數(shù)εr=2.65,損耗角正切值tanδ=0.001).從頻率與傳播常數(shù)(k)的關(guān)系可得,金屬線陣列結(jié)構(gòu)中電磁波的色散曲線在自由空間波之下,且在相同頻率下金屬線陣列結(jié)構(gòu)中的電磁波有更大的傳播常數(shù),這說明金屬線陣列能夠?qū)㈦姶挪詈系浇Y(jié)構(gòu)表面.因此,沿著結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑サ膞-極化波可以被認(rèn)為是在微波頻段的SSPP,并且能夠被局域和增強(qiáng).從仿真結(jié)果可以看出,隨著金屬鋸齒高度v的增大,截止頻率不斷向低頻偏移,所以可以通過調(diào)節(jié)金屬魚骨結(jié)構(gòu)橫向最長(zhǎng)金屬線的長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)截止頻率.為了實(shí)現(xiàn)電磁波在自由空間和SSPP之間高效地轉(zhuǎn)換,金屬線陣列結(jié)構(gòu)兩端上SSPP的傳播常數(shù)應(yīng)該盡可能接近自由空間的傳播常數(shù),而結(jié)構(gòu)中間位置附近的SSPP的傳播常數(shù)要遠(yuǎn)大于自由空間的傳播常數(shù).因此,設(shè)計(jì)的金屬線陣列結(jié)構(gòu)是兩端短中間長(zhǎng)的金屬魚骨結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示.圖中的金屬線陣列由39根沿x方向陣列排布的金屬線和一根沿z方向的金屬線組成.它能夠高效耦合介質(zhì)表面的電磁波,并以較小的損耗將電磁波從另一端傳輸出去.金屬魚骨結(jié)構(gòu)的周期為a,高度為h1,金屬線的長(zhǎng)度為f(x),沿x方向的金屬線寬度為0.25 mm,金屬線之間的距離為0.25 mm,沿z方向的金屬線寬度為0.2 mm,介質(zhì)基板是厚度為0.3 mm的F4B.優(yōu)化后的參數(shù)值是a=13.4 mm,h1=19.85 mm.

本文使用CST Microwave Studio 2015電磁仿真軟件對(duì)金屬魚骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,在x-極化波和y-極化波垂直入射時(shí),金屬魚骨結(jié)構(gòu)透射率如圖1(d)所示.在2—11.7 GHz頻率范圍內(nèi),該結(jié)構(gòu)的透射率都高于?0.5 dB.金屬魚骨結(jié)構(gòu)的截止頻率為12 GHz,在12.3—16 GHz頻率范圍內(nèi),它的透射率都低于?10 dB.在12.4—15.5 GHz頻率范圍內(nèi),該結(jié)構(gòu)的透射率甚至低于?20 dB.說明在截止頻率之后,該結(jié)構(gòu)能有效抑制電磁波的透射.

為了進(jìn)一步說明電磁波在金屬魚骨結(jié)構(gòu)中的傳播特點(diǎn),圖2給出了x-極化波垂直入射下電場(chǎng)沿x分量的分布圖.在截止頻率之前,f=8 GHz時(shí),電磁波可以從自由空間耦合到金屬魚骨結(jié)構(gòu)表面并傳輸,再?gòu)牧硪欢私缑嬷匦埋詈系阶杂煽臻g,實(shí)現(xiàn)高效透射.而在截止頻率之后,f=15 GHz時(shí),電磁波不能從另一端界面?zhèn)鬏數(shù)阶杂煽臻g,大部分被金屬魚骨結(jié)構(gòu)反射.

針對(duì)雙通帶的FSS設(shè)計(jì),由于金屬網(wǎng)柵具有低反高通的特性,方形孔徑單元具有帶通特性,因此金屬網(wǎng)柵加上兩個(gè)方形孔徑單元能夠組成一個(gè)雙通帶FSS.同時(shí),在FSS的反面加載十字金屬線和集總電阻來吸收部分非工作頻帶內(nèi)的電磁波,提升FSS在非工作頻帶對(duì)電磁波透射的抑制效果.如圖3(a)所示,FSS單元周期a3=13.4 mm,外側(cè)金屬線寬w3=0.1 mm,中間方形金屬線長(zhǎng)a4=12.2 mm,線寬w4=0.8 mm,內(nèi)側(cè)方形金屬線長(zhǎng)a5=5.2 mm,線寬w5=0.3 mm,介質(zhì)基板厚度為0.3 mm.采用方形孔徑結(jié)構(gòu)是為了引入傳輸零點(diǎn),在魚骨結(jié)構(gòu)的截止頻率之前形成兩個(gè)通帶.在圖3(b)中,十字單元線長(zhǎng)a6=10.5 mm,線寬w6=0.5 mm.十字單元中間斷開部分的間距c1=0.7 mm,集總電阻阻值為100 ?.加載集總電阻能有效吸收大部分十字單元諧振頻率附近的電磁波,起到了抑制電磁波透射的作用.

圖2 在頻率f=8,15 GHz處,x-極化波垂直入射到魚骨結(jié)構(gòu)時(shí)電場(chǎng)沿x分量的分布圖Fig.2.The simulated electric f i eld x-component distributions of the metallic f i shbone structure for x-polarized wave normal incidence at the frequency f=8 and 15 GHz.

圖3 (a)FSS的正視圖;(b)FSS的后視圖Fig.3.(a)Front view of FSS;(b)back view of FSS.

為了對(duì)比加載十字單元和集總電阻與不加載的區(qū)別,圖4(a)和圖4(b)給出了兩組不同F(xiàn)SS的示意圖,FSS間的距離h1=19.85 mm,中間介質(zhì)為空氣.當(dāng)間距h1等于半波長(zhǎng)或者四分之一波長(zhǎng)時(shí),電磁波在不同介質(zhì)傳播時(shí)在其交界面處引起的反射會(huì)減小,從而提高了電磁波在該頻點(diǎn)的透射效果.圖4(c)中頻率f=6.7 GHz與f=15.3 GHz處產(chǎn)生的透射峰就是由上述原因引起的.對(duì)比圖4(c)和圖4(d)可得,加載了十字單元與集總電阻后,頻率f=6.7 GHz和15.3 GHz附近的透射率明顯降低,能夠較好地抑制帶外電磁波的透射.

設(shè)計(jì)完FSS后,將它組合到金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列上,形成雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu).如圖5所示,結(jié)構(gòu)單元周期a=13.4 mm,高度h=20.45 mm,FSS的厚度d=0.3 mm,上下兩層FSS完全相同,FSS一面刻蝕金屬單元,另一面刻蝕金屬單元并加載集總電阻.在不同極化角度 (?=0?,45?和90?)的線極化波垂直入射時(shí),雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的透射率仿真結(jié)果如圖6(a)所示.當(dāng)極化角度?=0?和90?時(shí),在第一個(gè)通帶處,透射率高于?0.5 dB的頻率范圍是3.0—4.1 GHz,帶寬為1.1 GHz.在第二個(gè)通帶處,透射率高于?0.5 dB的頻率范圍是10.5—10.9 GHz,帶寬為400 MHz.當(dāng)極化角度?=45?時(shí),透射率和通帶帶寬有所下降.同時(shí)我們對(duì)雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)在x-極化波以不同入射角度(θ=20?,40?和60?)入射時(shí)的透射率進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖6(b)所示.可以看出:在第二個(gè)通帶處,結(jié)構(gòu)對(duì)入射角度比較敏感.在帶內(nèi),該結(jié)構(gòu)能夠保證入射電磁波的高效透射;在帶外,該結(jié)構(gòu)利用反射加吸收的機(jī)理來降低入射電磁波的透射率.透射率低于?10 dB的頻率范圍是4.7—9.2 GHz和12.1—18 GHz.并且在12.4—15.5 GHz頻率范圍內(nèi),透射率甚至低于?20 dB,能有效抑制電磁波的透射.該結(jié)構(gòu)的吸收效果如圖6(c)所示,在7.7—9.4 GHz頻段內(nèi),吸收率達(dá)到了70%以上,有效抑制了非工作頻帶內(nèi)的透射.另外還對(duì)金屬網(wǎng)柵與大方形孔徑單元和金屬網(wǎng)柵與小方形孔徑單元組成的FSS進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)構(gòu)和結(jié)果如圖6(d)所示.從仿真結(jié)果可以看出,大方形孔徑單元對(duì)應(yīng)的通帶中心頻點(diǎn)在4 GHz附近,小方形孔徑單元對(duì)應(yīng)的通帶中心頻點(diǎn)在10.5 GHz附近.由于設(shè)計(jì)時(shí)還加入了集總元件進(jìn)行吸波,因此圖6(a)中雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的第二個(gè)通帶帶寬要比圖6(d)中金屬網(wǎng)柵與小方形孔徑單元組成的FSS的通帶帶寬窄.但總體而言,通帶的位置基本符合,大方形孔徑單元與雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的第一個(gè)通帶對(duì)應(yīng),小方形孔徑單元?jiǎng)t與雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的第二個(gè)通帶對(duì)應(yīng).

圖4 (a)FSS模型示意圖;(b)加載十字結(jié)構(gòu)和集總電阻后的FSS模型示意圖;(c)FSS的透射率;(d)加載十字單元和集總電阻后FSS的透射率Fig.4.(a)Schematic diagram of the FSS;(b)schematic diagram of the FSS loaded cross wires and lumped resistors;(c)simulated transmissivity of the FSS;(d)simulated transmissivity of the FSS loaded cross wires and lumped resistors.

圖5 (a)雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)圖;(b)雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)分解圖Fig.5.(a)Schematic view of the dual-band-pass frequency selective structure;(b)exploded view of the dual-band-pass frequency selective structure.

圖6 (a)不同極化角度(?=0?,45?和90?)的線極化波垂直入射時(shí),雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的透射率仿真結(jié)果;(b)不同入射角度(θ=20?,40?和60?)下的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的透射率仿真結(jié)果;(c)x-極化波垂直入射下的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)的吸收率;(d)金屬網(wǎng)柵分別與大、小方形孔徑單元組成的FSS的透射率仿真結(jié)果Fig.6.(a)Simulated transmissivities of the dual-band-pass frequency selective structure under dif f erent polarization angles(? =0?,45? and 90?)of linear polarized waves normal incidence;(b)simulated transmissivities of the dual-band-pass frequency selective structure under dif f erent incident angles(θ =20?,40? and 60?);(c)absorptivity of the dual-band-pass frequency selective structure under x-polarized wave normal incidence;(d)simulated transmissivities of the FSS with metal grid and dif f erent squarer aperture units.

圖7 (a)FSS正視圖;(b)FSS后視圖Fig.7.(a)The front elevation of FSS;(b)the back elevation of FSS.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用印刷電路板(printed circuit board,PCB)工藝,加工的FSS樣件尺寸為268 mm×268 mm×0.3 mm.FSS樣件的結(jié)構(gòu)如圖7所示,正面是網(wǎng)柵和方形孔徑單元,反面是十字金屬線和加載的集總電阻.

加工的金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列的尺寸為268 mm×268 mm×19.85 mm,樣件如圖8(a)所示.本文利用自由空間法在暗室環(huán)境下對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí),樣品垂直置于轉(zhuǎn)臺(tái)上,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線分別固定于轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)懸臂上,一個(gè)作為發(fā)射天線,另一個(gè)作為接收天線.測(cè)試的金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列透射率如圖8(b)所示.在12 GHz之前,該結(jié)構(gòu)的透射率基本都高于?0.5 dB,具有較好的透射性能.在截止頻率之后,13—18 GHz,該結(jié)構(gòu)的透射率均低于?10 dB,在13.6—16 GHz,透射率均低于?20 dB,說明該結(jié)構(gòu)在截止頻率后對(duì)電磁波的透射具有較好的抑制作用.

圖8 (a)金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列樣件圖;(b)在x-極化波和y-極化波垂直入射下的金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列樣件的透射率Fig.8.(a)Picture of the metallic f i shbone structure array;(b)measured transmissivities of metallic f i shbone structure array under x-and y-polarized waves normal incidence.

如圖9(a)所示,將上述的FSS和金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列組合得到雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu),樣件的尺寸為268 mm×268 mm×20.45 mm.測(cè)試該結(jié)構(gòu)得到的透射率如圖9(b)所示,第一個(gè)通帶的頻率范圍是3.5—4.1 GHz,帶寬600 MHz,透射率均高于?0.5 dB.第二個(gè)通帶的頻率范圍是11.1—11.5 GHz,帶寬400 MHz,透射率均在?1 dB左右.測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果稍有偏差,但總體趨勢(shì)是一致的,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.

4 結(jié) 論

本文基于SSPP設(shè)計(jì)了一種具有陡截止和高透高抑制性能的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu),在通帶內(nèi),該結(jié)構(gòu)的透射率高于?0.5 dB.與傳統(tǒng)的FSS相比,金屬魚骨結(jié)構(gòu)陣列的引入能夠有效改善雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)在通帶內(nèi)的透射性能以及帶外電磁波的透射.設(shè)計(jì)的雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在3.0—4.1 GHz和10.5—10.9 GHz兩個(gè)頻帶內(nèi)高效透射,而在4.7—9.2 GHz和12.1—18 GHz頻率范圍內(nèi)該結(jié)構(gòu)能有效抑制透射效果.在金屬魚骨結(jié)構(gòu)中填入輕質(zhì)泡沫后它的承載性能會(huì)有顯著提升,可以用在艦船電磁窗、艦船桅桿等,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì).

圖9 (a)雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)圖;(b)雙通帶頻率選擇結(jié)構(gòu)透射率的測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.9. (a)Photograph of the dual-band-pass frequency selective structure;(b)measured transmissivities of the dual-band-pass frequency selective structure under x-and y-polarized waves normal incidence.