具有寬頻特性帶通頻率選擇表面的設計

李育青,裴志斌,屈紹波,,徐 卓,周 航,李均盛

(1.空軍工程大學理學院,西安710051;2.西安交通大學電子陶瓷與器件教育部重點實驗室,西安710049)

1 引 言

頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)[1-2]是由大量相同單元周期性排列構成的平面結構,能在特定的頻率上實現帶阻反射或者帶通濾波性能。目前它在微波、紅外乃至可見光頻段都有廣泛的應用,在微頻段的一個具體應用就是采用FSS技術制作的隱身雷達罩,它可以有效地減小飛機的雷達截面積(Radar Cross Section,RCS),從而實現對探測雷達波的隱身。

FSS的研究應用主要集中在設計實現具有高性能的帶通選擇[3-5]和帶阻反射[6]這兩大類型結構上,而實現帶通選擇性能的FSS因選擇通帶的不同可分為窄帶FSS[3]、多通帶FSS[5]和寬帶FSS。窄帶和多通帶FSS的研究已經比較成熟,而對于寬帶FSS的設計,目前沒有一個比較成熟的方法和思路,這樣使得在設計寬頻FSS結構時,具有很大的盲目性。近年來,隨著通信技術的快速發展,對寬帶微波濾波器的需求也越來越多,例如,衛星系統經常使用的X、K、Ku頻段,一般都是幾吉赫到十幾吉赫的帶寬。因此,研究效果優良的寬頻帶通FSS具有很高的工程應用價值。

基于此,利用高階特性的FSS有多個極點的相互耦合,具有很好的帶寬展寬性,本文提出了利用設計高階帶通FSS的方法來實現具有寬頻特性的帶通FSS。而后通過薄屏介質加載,利用貼片型和縫隙型FSS進行級聯設計了一個具有很好傳輸特性的三階五層帶通FSS,實現了很好的寬頻特性,從而驗證了此方法的可行性。

2 設計寬頻帶通FSS的方法

傳統設計帶通FSS的方法,一般是在單層或雙層金屬層上蝕刻縫隙單元,通過不同的縫隙單元實現單通帶或多通帶的效果。此方法設計的結構雖然加工簡單,易于實現,但它的頻率特性往往只具有一階的特性,如圖1所示。它具有很多本身結構所具有且無法改善的缺陷:如諧振Q值偏低,導致其邊帶選擇性能并不理想;帶寬不易于控制,無法實現具有較好特性的寬頻甚至超寬頻帶通濾波特性,因此它的應用具有很大的局限性。而二階甚至三階的高階FSS如圖2和圖3所示,由于其具有多個極點的相互耦合作用,它們之間可以形成耦合通帶,實現對帶寬的有效調整和控制,從而實現寬頻和超寬頻的帶通選擇特性;而且其通帶邊緣特性和帶外抑制性較一階FSS也具有很大的改善。因此,可以通過設計增加FSS結構的諧振頻點數(階數),使多個頻點耦合諧振在同一通帶,從而實現具有寬頻特性的FSS。

傳統實現高階特性的FSS,一般通過選擇多層具有相同諧振特性的金屬層通過加載 λ/4厚的介質層進行級聯來實現,但這樣設計的FSS在厚度上就達到λ左右,造成其通帶具有更高的中心插耗,而且這樣的尺寸也不利于實際的工程應用。

圖1 一階特性的頻響曲線Fig.1 First order frequency response curve

圖2 二階特性的頻響曲線Fig.2 Second order frequency response curve

圖3 三階特性的頻響曲線Fig.3 Third order frequency response curve

文獻[7]中通過加載薄屏的介質層(h λ)的方法,基于圓結構的良好對稱性,利用貼片層級聯耦合諧振層級聯貼片層的三層結構[8-9],設計了一個具有較好傳輸特性的二階FSS,它的絕對帶寬達到4.21 GHz,相對帶寬為21%。基于此方法,本文設計了一個具有五層結構的FSS,計算得到它在通帶內具有三階特性,實現了很好的寬頻特性。

3 單元結構設計

圖4為基于圓結構的FSS單元結構圖。圖4(a)為單元結構的整體示意圖,它為四層薄屏介質層加載的五層結構FSS,介質層的介電常數εr=2.65,損耗正切值為0.001,厚度h=1.0 mm;最外兩層和中間層均為同樣結構的金屬圓貼片,如圖4(b)所示,其半徑 r1=3.9 mm;其余相鄰兩層為耦合諧振層,它為開圓孔縫金屬槽結構,如圖4(c)所示,圓孔縫半徑r2=4.9 mm,圖中深色部分為金屬。利用貼片型FSS和縫隙型FSS多層級聯的耦合作用,實現通帶的高階特性。

圖4 基于圓結構的五層三階單通帶FSS結構圖Fig.4 The structure diagram of the five-layer third order FSS based on circular cell

4 傳輸特性分析

圖5為在TE極化波正入射時此FSS的 S11和S21頻響特性曲線。此時可以看出,FSS的3個極點分別為6.44 GHz、8.80 GHz和10.97 GHz,3個極點耦合形成一個中心插損很小的平頂寬通帶,中心插損最大僅為0.45 dB,3 dB工作帶寬此時為5.40～11.47 GHz,絕對帶寬為6.07 GHz,相對帶寬達到72%。而在通帶外,S21能迅速地下降到-20 dB以下并一直保持,FSS具有很好的邊帶選擇和帶外抑制特性。

圖5 TE波正入射時FSS的 S11和 S21傳輸特性向應曲線Fig.5 Simulated reflection and transmission coefficient of the FSS with normal TE wave

作為五層結構的FSS,它加載了四層介質層,相對加載兩層介質的FSS,一般會具有更好的角度穩定性。而結構單元本身又具有很好空間對稱性,因此,它對于不同的極化方式同樣具有很好的穩定性。圖6、圖7分別為TE極化波和TM極化波分別入射0°～ 45°時的 S21頻響曲線。

圖6 TE波入射時0°～45°的S21頻響特性曲線Fig.6 The simulated transmission coefficient of the FSS under improvement with different TE wave

圖7 TM 波入射時0°～45°的S21頻響特性曲線Fig.7 The simulated transmission coefficient of the FSS under improvementwith different TM wave

從圖中可以看出,在TE極化波入射時,從正入射到45°斜入射時,下邊帶幾乎保持不變,只是上邊帶稍微向高頻漂移了0.21 GHz,通帶帶寬此時為5.61～11.47GHz,減小了0.21 GHz,相對帶寬僅僅減小3%,而最大損耗在45°入射時僅為1.35 dB,通帶整體沒出現大的插損點;在TM極化波入射時,從正入射到45°斜入射時,上邊帶幾乎保持不變,只是下邊帶稍微向高頻漂移了0.20 GHz,此時工作帶寬為5.40～11.67GHz,而中心插損在45°入射時最大僅為0.60 dB。因此,不論是在TE極化波下還是TM極化波下,FSS對角度的變化都能保持很好的帶通性能。

5 結 論

利用具有高階特性的FSS有多個極點的相互耦合,具有更好的帶寬展寬性,本文提出了利用高階帶通FSS來設計寬頻帶通FSS的思想。其次,基于薄屏介質加載,利用圓結構具有很好的空間對稱性,設計了一個具有五層結構的FSS。計算結果表明:此五層結構FSS具有三階單通帶特性,其絕對帶寬達到6.07GHz,相對帶寬達到72%,通帶內插損小,帶外抑制好,對不同角度、不同極化方式入射的電磁波保持很好穩定性。此三階FSS具有很穩定的寬頻特性,從而驗證了利用高階FSS實現寬頻帶通FSS設計的可行性。

隨著寬頻帶衛星系統和寬頻段雷達系統的大量使用,此種利用高階FSS來設計寬頻帶通FSS的方法具有很廣泛的應用前景。

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