等離子體周期結構帶通特性研究

張建平等

【摘要】 本文在Lee W. Cross研究等離子立方體加載頻選單元結構的基礎上，進一步分析結構帶通特性受頻選單元、等離子體密度、入射方向及上中下三層介質(zhì)之間的影響，設計優(yōu)化等離子周期結構模型，采用高介電常數(shù)介質(zhì)封裝等離子體，使其具有恒定帶寬和隨入射角變化保持穩(wěn)定的諧振頻率，大入射角時3dB帶寬比在1.4：1以下，拓展等離子周期結構研究前景。

【關鍵字】 等離子體 頻選單元 帶通

Research on the band pass characteristics of plasma periodic structure

Zhang Jianping Yuan Naichang Mo Jinjun Cheng Long National University of Defense Technology

Abstract：In this paper， based on the research of Lee W. Cross over load frequency selective structures of the plasma cube， wefurther analyze the impact of the frequency selective unit， the plasma density， the incident direction and in between next three media over the structure of the bandpass characteristics. In our design， when there is a large incidenceangle， 3dB bandwidth will be below1.4 ： 1 or less， thus expanding research prospects of periodic structures of plasma.

Keywords ： plasma ； frequency selective unit ； bandpass

一、引言

周期表面最為重要的應用之一便是用它來設計具有帶通特性的結構[1]，而這種結構通常由介質(zhì)加載縫隙單元（陣列）來實現(xiàn)。基于等離子體參數(shù)的動態(tài)重構，便捷調(diào)節(jié)頻帶諧振特性的周期結構在以等離子體為介質(zhì)中顯得十分有效。

二、單元加載

在以往關于分析研究頻率選擇表面（FSS）諸多文獻中，對單元結構的分析不勝枚舉。本文重點研究等離子體加載頻選單元在等離子參數(shù)影響下的傳輸特性，因此對加載的頻選單元參數(shù)（單元間距、周期間距、單元結構等）不再進行討論。

三、建立模型

單層加載單元一般很難滿足帶內(nèi)需求，而雙層或多層FSS級聯(lián)結構較單層FSS結構在很多方面都具有很高的優(yōu)越性[2]。為進一步分析研究等離子立方體加載頻選單元受等離子體介質(zhì)層參數(shù)的影響。

其中，S=2mm，L外層=2.5mm，L內(nèi)層=1.25mm，圓環(huán)外徑為1.8mm，內(nèi)徑為1.3mm，Dx=Dy=4mm，封裝等離子體介質(zhì)層（Glass pyrex lossy）厚度為0.1mm，縫隙陣列位于三層封裝等離子體介質(zhì)層中間。

3.1 中間介質(zhì)層

通過改變等離子密度，仿真分析結構帶通特性受等離子密度的影響。設定ve1= ve2= ve3=2E+8s-1，ne1= ne3=1.44E+10cm-3 。

3.2 外側介質(zhì)層

設定ve1= ve2= ve3=2E+8s-1，ne2=1.44E+10cm-3，ne1，ne3取相同。

保持中間層等離子密度不變，改變外層等離子密度，密度逐漸增加引起中心頻率同樣逐漸向高頻移動，反射系數(shù)逐漸增大，3dB帶寬基本保持不變。等離子立方體周期結構加載頻選單元在任意改變上中下三層等離子體密度時，帶寬并未發(fā)生大的變化，具有恒定的帶寬，因此，等離子體介質(zhì)與電介質(zhì)最終結果在確定帶寬上是相同的，加載單元及周期間距一旦確定，帶寬就隨之確定。

四、優(yōu)化設計

電磁波在等離子體中的傳播與在自由空間時不同，會隨等離子體特征參數(shù)的變化而產(chǎn)生折射、吸收等效應[3]。對隨電磁波入射角變化而保持恒定傳輸帶寬和諧振頻率的“空間濾波器”通常被稱為“混合雷達罩”，而兩個縫隙陣列之間的互導納Y1，2在決定結構的傳輸和反射系數(shù)上起著關鍵作用[1]。

（1）

結構經(jīng)優(yōu)化后對入射角變化具有較為穩(wěn)定的諧振頻率，入射角時3dB帶寬比為1.39：1，帶寬較為恒定，傳輸曲線上部較為平坦，但是在37GHz處出現(xiàn)柵瓣。

五、總結

等離子體立方體（含封裝介質(zhì)）加載頻選單元的帶通特性具有電介質(zhì)加載單元同樣的帶寬、諧振穩(wěn)定性和傳輸幅度：一是加載單元影響帶通結構的帶寬和諧振特性；二是中間介質(zhì)層影響傳輸曲線頂部的最大傳輸和極小傳輸；三是單元周期間距可以影響單元的互耦，但是要充分考量柵瓣條件。

六、致謝

論文所有工作是在國家自然科學基金（NO.61471368）的支持下完成。