唐旭英 唐金元 王翠珍

摘要： 針對多通帶頻率選擇表面帶外選擇性能差的問題，設(shè)計(jì)了一種具有帶外陡降特性的雙通帶頻率選擇表面（dualpassband frequency selective surface，DPFSS）。該設(shè)計(jì)由兩層相同的柵格方環(huán)單元和一層方環(huán)貼片單元組成，可以通過調(diào)整單元幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對傳輸零點(diǎn)頻率的獨(dú)立控制。同時(shí)，按照物理結(jié)構(gòu)建立等效電路模型，并采用CST對本文提出的FSS進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可以在C、X頻段內(nèi)形成兩個(gè)傳輸通帶，位于通帶兩側(cè)的零點(diǎn)形成了陡峭的上升沿和下降沿，縮短了過渡帶，同時(shí)高頻零點(diǎn)形成了寬傳輸阻帶，進(jìn)一步提升了帶外選擇性能，在垂直入射的情況下，可以實(shí)現(xiàn)5.48～6.54 GHz和8.73～10.04 GHz的通帶范圍（-1 dB）及10.32～17.55 GHz的阻帶范圍（-10 dB），具有良好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 頻率選擇表面（FSS）; 雙通帶; 帶外陡降; 等效電路模型

中圖分類號： TN62; TN925+.93? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

頻率選擇表面（frequency selective surface，F(xiàn)SS）對不同極化方式和入射角度的電磁波具有頻率選擇特性。FSS獨(dú)特的空間濾波特性，使其在極化轉(zhuǎn)換器、雙工器、反射面天線的副反射器、雷達(dá)天線罩、電磁吸波材料等方面有廣泛應(yīng)用，成為微波和天線研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向[13]。FSS的分析方法有很多種，其中等效電路法（equivalent circuit method，ECM）具有簡明直觀、分析速度快、能夠解釋結(jié)構(gòu)物理特性的優(yōu)點(diǎn)，在FSS分析中廣泛應(yīng)用。其原理是按照導(dǎo)體層的幾何結(jié)構(gòu)，將之等效為由集總元件組成的電路模型，集總元件參數(shù)受導(dǎo)體層幾何尺寸、層間耦合反應(yīng)和介質(zhì)層參數(shù)控制。等效電路模型準(zhǔn)確建立后，可以快速分析FSS的傳輸特性，非常適用于多頻段FSS的設(shè)計(jì)和分析。近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，單一頻段的通信系統(tǒng)已無法滿足高信道容量的需求，在多頻段通信系統(tǒng)中，雙頻帶和多頻帶FSS逐漸成為研究熱點(diǎn)。在多頻帶FSS設(shè)計(jì)中，分形結(jié)構(gòu)、復(fù)合單元、互補(bǔ)結(jié)構(gòu)等形式均可實(shí)現(xiàn)多頻帶的傳輸特性。李爾平等人[4]利用耶路撒冷十字單元，設(shè)計(jì)一種具有高頻陡降特性的四層FSS，能夠在通帶高頻處形成阻帶，以提升高頻陡降性;N.Behdad等人[57]利用電抗結(jié)構(gòu)和組合諧振結(jié)構(gòu)，提出了兼具寬通帶和高選擇性的FSS，并研究了此類高階FSS的多頻化技術(shù);鐘濤等人[8]提出了具有良好的角度和極化穩(wěn)定性的雙阻帶小型FSS。由于上述結(jié)構(gòu)難以在較為靠近的兩個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶通選頻特性，并難以同時(shí)兼具良好的帶外陡降性，大多數(shù)都在高頻處存在倍頻現(xiàn)象，使帶外選擇特性惡化，在工程應(yīng)用中造成諸多不便?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種三層雙通帶FSS，在垂直入射的情況下，可以實(shí)現(xiàn)5.48～6.54 GHz和8.73～10.04 GHz的通帶范圍（-1dB）及10.32～17.55 GHz的阻帶范圍（-10dB），具有良好的帶外陡降特性、極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1? FSS設(shè)計(jì)

1.1? FSS結(jié)構(gòu)與模型建立

本文對FSS單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立單層等效電路模型，F(xiàn)SS單元結(jié)構(gòu)及單層等效電路模型如圖1所示。該FSS由3個(gè)導(dǎo)體層及將其兩兩分隔開的2個(gè)介質(zhì)層（介質(zhì)層的厚度分別為t1和t2）構(gòu)成。其中，上、下兩層導(dǎo)體層具有相同的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，均為柵格方環(huán)單元，其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1a所示;網(wǎng)柵半寬度為w1，方環(huán)外邊長為D1，方環(huán)寬度為w2，中間層由方環(huán)形貼片單元組成，其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1b所示;方環(huán)外邊長為D2，方環(huán)寬度為w3，其結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1c所示，3個(gè)導(dǎo)體層具有相同的分布周期P。由于方形結(jié)構(gòu)具有對稱性，在垂直入射條件下，電場平行于任意周期延拓方向時(shí)，結(jié)構(gòu)具有相同性質(zhì)，因此具有良好的極化穩(wěn)定性。對于柵格方環(huán)單元，位于單元外側(cè)的導(dǎo)體網(wǎng)柵自身形成的電感可以等效為一個(gè)并聯(lián)電感L1，導(dǎo)體網(wǎng)柵與位于單元內(nèi)

側(cè)的導(dǎo)體方環(huán)之間形成的電容等效為電容C1，導(dǎo)體方環(huán)自身形成的電感可以等效為與C1相串聯(lián)的電感L2 [9]。對于方環(huán)貼片單元，相鄰導(dǎo)體方環(huán)之間形成的電容可等效為CM，導(dǎo)體方環(huán)自身形成的電感可等效為LM，兩者組成串聯(lián)電路。

1.2? 電路模型擬合結(jié)果

根據(jù)1.1中的分析，本文對FSS等效電路模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，F(xiàn)SS等效電路模型如圖2所示。圖2中，位于FSS兩側(cè)的自由空間，可等效為特性阻抗Z0=377 Ω的半無限長傳輸線;2個(gè)介質(zhì)層，可等效為兩截長度L=t，特性阻抗Zt=Z0/εr的傳輸線。

該FSS中，由于3個(gè)導(dǎo)體層之間的間隔非常小，層與層之間產(chǎn)生了較為強(qiáng)烈的互耦效應(yīng)，不同層的元件間相互影響，無法通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算元件值。按照圖2中所示的電路模型，對元件參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化擬合，得到滿足頻對ADS等效電路進(jìn)行仿真和CTS全波仿真，CST與ADS仿真結(jié)果對比如圖3所示。由圖3可以看出，傳輸極點(diǎn)、傳輸零點(diǎn)的位置和通帶范圍基本一致，在146 GHz處，CST的全波仿真結(jié)果存在一個(gè)在ADS仿真中沒有得到的傳輸零點(diǎn)，與106 GHz處的傳輸零點(diǎn)形成了一個(gè)傳輸阻帶，有效縮短了過渡帶，提高了帶外陡降性。由此可判斷出該傳輸零點(diǎn)為層間耦合產(chǎn)生。等效電路仿真結(jié)果與全波仿真結(jié)果基本一致，說明本文中所建立的等效電路模型具有參考意義。2? 仿真結(jié)果及分析

2.1? 傳輸系數(shù)分析

使用CST對本文提出的FSS進(jìn)行仿真，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，入射波分別為TE極化和TM極化，垂直入射時(shí)兩種極化下的傳輸系數(shù)曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在TE和TM兩種極化方式下，傳輸曲線具有良好的一致性，基本沒有產(chǎn)生頻率偏移，說明該結(jié)構(gòu)具有良好的極化穩(wěn)定性，入射波的極化方式對傳輸特性影響小，可以在工程中得到較好的應(yīng)用;由圖4還可以看出，該FSS結(jié)構(gòu)在601 GHz和95 GHz處均形成了傳輸通帶，低頻通帶（-1 dB）寬度為1.06 GHz（5.48～6.54 GHz），高頻通帶寬度為1.31 GHz（8.73～10.04 GHz）。其中，高頻通帶具有過渡帶窄的特性，低頻和高頻過渡帶（傳輸系數(shù)從-1 dB減小到-10 dB的頻帶）寬度分別為0.52 GHz和0.30 GHz，同時(shí)，在高頻通帶的高頻處，傳輸零點(diǎn)fz2（fz2=10.60 GHz）和fz3（fz3=14.60 GHz）形成了寬度為723 GHz的陡降阻帶范圍（-10 dB），進(jìn)一步提高了帶外選擇性能，并避免了在高頻處產(chǎn)生倍頻傳輸極點(diǎn)的可能。

2.2? 雙頻特性分析

為觀察FSS的結(jié)構(gòu)與諧振頻率之間的關(guān)系，在3個(gè)通帶極點(diǎn)fp1（fp1=6.05 GHz）、fp2（fp2=9.13 GHz）和fp3（fp3=9.81 GHz）處，對FSS進(jìn)行表面電流仿真，F(xiàn)SS表面電流分布（模值）如圖5所示。

由圖5a可以看出，在低頻通帶極點(diǎn)處，表面電流主要分布在柵格方環(huán)層的導(dǎo)體網(wǎng)柵部分和中間層的導(dǎo)體方環(huán)上，低頻通帶主要由網(wǎng)柵部分形成的電感L1和中間層的方環(huán)自身電感LM、電容CM形成;由圖5b和圖5c可以看出，在2個(gè)高頻通帶極點(diǎn)處，表面電流在柵格方環(huán)層和中間層上都有分布，但在高頻處，柵格方環(huán)層的方環(huán)上的電流更強(qiáng)，中間層方環(huán)上的電流更弱，說明高頻通帶的第2極點(diǎn)主要受柵格方環(huán)層控制，低頻極點(diǎn)則由2層?xùn)鸥穹江h(huán)層和1層中間層共同控制。

分別改變D1和D2的大小，得到傳輸系數(shù)隨方環(huán)邊長變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，D1主要控制第2零點(diǎn)和高頻通帶的2個(gè)極點(diǎn);D2主要控制第1零點(diǎn)和高頻通帶的第1極點(diǎn)，驗(yàn)證了由表面電流分布得到的推測。

3? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種具有帶外陡降特性的新型雙頻帶頻率選擇表面，該設(shè)計(jì)由2層相同的柵格方環(huán)單元和1層方環(huán)貼片單元組成，可以通過調(diào)整單元幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對傳輸零點(diǎn)頻率的獨(dú)立控制。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在C、X頻段內(nèi)形成2個(gè)傳輸通帶，其中C頻段的通帶寬度（-1 dB）為106 GHz（548～654 GHz），X頻段的通帶寬度為131 GHz（873～1004 GHz）;該設(shè)計(jì)第2通帶（X頻段通帶）具有過渡帶窄特性，同時(shí)其高頻處有寬度為723 GHz（1032～1755 GHz）的陡降阻帶范圍（-10 dB），進(jìn)一步提高了帶外選擇性能，并避免了在高頻處產(chǎn)生倍頻傳輸極點(diǎn)的可能，因而具有良好的帶外陡降特性。該結(jié)構(gòu)在工作頻段內(nèi)具有良好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性，入射波的極化方式對傳輸特性影響較小，可以在工程中得到較好的應(yīng)用。該研究對以后雙頻帶FSS的設(shè)計(jì)具有較好的理論指導(dǎo)意義。

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