多功能有源頻率選擇表面

， ， ， ， ，

(山東理工大學電氣與電子工程學院， 山東淄博 255049)

0 引言

頻率選擇表面(FSS)是一種新型的人工電磁材料，其特性類似空間濾波器，設計者可以通過人為設計不同的電磁參數來按照需求進行電磁波傳輸的調控。廣泛應用于各種衛星、雷達以及隱身飛行導彈等飛行兵器[1-3]。由于實際工程應用的復雜需求，FSS的研究范圍逐漸被拓寬，具有新功能特性的FSS成為了研究熱點[4-6]。在應用FSS技術提高天線抗干擾性能及探測能力方面，可采用開口環形單元、長短金屬線結合單元、加載集總LC器件以及密集型偶極子單元來實現FSS的極化濾波特性[7-10]；針對FSS在多波段天線和變頻雷達的廣泛應用，選擇鐵氧體或液晶材料作為介質襯底，或利用感性與容性表面耦合機制，或通過加載有源器件(如PIN二極管及變容二極管)、可調控材料的方法獲得一種頻率選擇特性可調控的空間濾波器，稱為有源FSS(AFSS)或有源柵格陣列，可實現中心頻率點的變頻或開關的功能[11-13]。然而單一的設計往往僅能滿足單一的應用功能，如果FSS能夠集多功能于一體，那么在節省應用空間、降低重量和節約設計成本的同時，將會更利于適應當前復雜電磁環境下的工程需求。

本文通過分析頻率選擇表面(FSS)的諧振原理，在基于開關型有源頻率選擇表面(AFSS)的波束可重構天線基礎上，提出沿著電感性金屬網柵表面平行和垂直兩個方向周期嵌入PIN二極管電控微波開關，得到一種多功能AFSS結構。通過調整偏置電壓控制不同組二極管的通斷來實現TE、TM極化時的高通濾波(針對設計頻點的全透射)或帶阻濾波(針對設計頻點的全反射)，以及TE、TM極化分離器(針對設計頻點不同極化方式下的透反或開關)的功能。文中給出了等效電路的分析及基于譜域法的計算結果，并對頻率響應特性進行了討論。

1 多功能頻率選擇表面的設計

線寬為w、相互間隔為d的平行金屬線與另一組相同的平行線垂直交叉排列，就得到了感性金屬網柵結構，如圖1所示。網柵結構的參數設置分別為：介質襯底厚度為0.025 mm，相對介電常數為3，正切角損耗為0.001；周期d=16 mm， 線寬w=14 mm。

圖1 感性金屬網柵結構

微波PIN二極管屬于特種微波半導體器件，在微波領域應用廣泛，如開關、調制及數字移相等微波控制電路中[14]。由于其開關的速度較快，而且損耗很小，在正向和反向偏置的情況下能夠得到近似于短路和開路的良好特性，電子開關電路就可利用此特性，通過直流電平信號來控制射頻微波信號導通與截止狀態。

對上述金屬網柵結構交接點的1/2處加載平行和垂直的兩組PIN二極管，得到有源FSS結構，如圖2所示。PIN二極管在不同偏置下的等效電路如圖3所示，其中PIN 管的寄生參數為電感L，正偏和反偏電阻為Rs和Rp，結電容為CT[11]。

圖2 加載PIN二極管的感性網柵結構

(a)PIN二極管結構 (b)正偏時等效電路(c)反偏時等效電路圖3PIN二極管結構及其等效電路

下面針對PIN二極管加載的有源FSS結構，給出所有二極管都正向偏置、僅平行組二極管正向偏置及所有二極管都反向偏置(或零偏)三種情況下的等效電路分析，并通過譜域法計算并討論其新穎的多功能特性。

2 不同偏置情況等效電路模型

所有二極管全部正向偏置時，有源FSS的等效電路如圖4所示，由于平行和垂直組二極管均導通，因此其特性近似于感性網柵結構，能夠屏蔽低頻電磁波而透過高頻電磁波。同時由于結構對稱，對于TE和TM波均呈現此高通濾波的特性。

圖4 所有二極管正偏時FSS等效電路

僅一組二極管正向偏置時，有源FSS的等效電路如圖5所示。在不同的極化方式下會得到不同的頻率響應特性，可類比圖6結構，TE極化方式下是一種類似于網柵的高通濾波器，而TM極化方式下是一種帶阻濾波器，可對諧振頻率點實現不同極化方式下的開關(透反)功能。

圖5 一組正偏TE極化FSS等效電路

所有二極管全部反向偏置或零偏時，有源FSS的等效電路如圖6所示，其特性近似于十字貼片結構，能夠實現帶阻的濾波特性，同時由于結構對稱，對于TE和TM波具有相同的頻率響應特性。

圖6 有源FSS的近似等效結構

3 數值計算與分析

譜域分析法是分析FSS結構電磁散射問題的一種常用方法[1]。分析FSS結構的電磁散射問題，首先要把FSS的散射場及入射場與屏上的表面感應電流建立聯系。理想導體單元分布在x-y平面，首先建立單個周期單元的積分方程，經過傅里葉變換，同時在x和y兩個周期方向利用Floquet定理，修改為整個周期陣列的積分方程，如式(1)所示。入射平面波在x-y平面上產生的自由空間的散射場，可以通過計算貼片上的感應電流來得到。

(1)

計算分析中，嚴格來講，PIN二極管不可避免地可能存在電抗及電阻損耗，不能完全實現導通時零阻抗與截止時的阻抗無窮大的理想狀態。然而PIN二極管I層的總電荷不是微波電流瞬時值產生的，而是主要由偏置電流所決定，因此直流偏置主要決定對微波信號呈現的阻值，正偏時阻抗非常小，近似短路；反偏時阻抗非常大，接近開路。同時，在實際選用時，往往選用插入損耗小反向擊穿電壓高的產品。因此把PIN管正向偏置和反向偏置(或者零偏置)的情況看作短路和開路特性進行計算分析，實際應用中選取具體參數的PIN管時，傳輸曲線規律基本不變，僅表現為寄生參數L、結電容CT引起的諧振頻率偏移及偏置電阻引入的傳輸損耗[15]。

加適當的直流偏置電壓使得所有二極管都導通時，對于TE、TM極化波而言，有源FSS結構都是一個高通濾波器。圖7給出了此時有源FSS的頻率響應計算曲線，橫軸為頻率，縱軸為傳輸透過系數。改變直流偏壓使得二極管僅僅平行組導通時，可以在不同的極化方式下得到極具工程應用價值的開關特性。圖8給出了FSS的頻率響應計算曲線，對于TE極化，在9.3 GHz有一個阻帶，透射系數為-37 dB；而對于TM極化波，9.3 GHz處為通帶，透過系數為-0.38 dB。同樣的原理，針對同一極化方式的入射電磁波，可以通過調整直流偏置，選擇平行組或垂直組二極管導通，FSS在此頻點可實現極化開關的功能，僅平行組二極管導通時，可實現TE極化在諧振頻點反射(關)，TM極化透過(開)；僅垂直二極管導通時，正好相反。若調整直流偏置，使得所有二極管都截止，對于TE、TM波而言，有源FSS結構都是一個帶阻濾波器，圖9給出了這種情況下的計算曲線，諧振發生9.3 GHz。此阻帶諧振頻率可以通過改變網柵周期d來調整，當d減小時，即金屬網柵變密集，此時當二極管全部截止，相當于減小了等效的十字貼片單元的尺寸，因此諧振頻率會向高頻漂移，同理d增大時，阻帶諧振頻點會向低頻漂移。

圖7 所有二極管導通時FSS頻率響應

圖8 僅一組二極管導通時FSS頻率響應

通過分析諧振頻率點處PIN二極管正向和反向偏置兩種情況下x=0平面的電場情況可以容易地理解PIN二極管正、反向偏置時的近似短路和開路特性。當PIN二極管反向偏置時，金屬網柵周期諧振單元容性縫隙的諧振顯著，而當PIN二極管正向偏置時，容性縫隙的諧振消失。這是因為當PIN二極管截止時，容性縫隙的兩金屬貼片上能夠積累等量的異種電荷，具有電容效應，而當PIN二極管導通時，電荷被傳導，容性縫隙的兩金屬貼片上無電荷積累。

圖9 所有PIN管截止時FSS頻率響應

4 結束語

為了滿足目前復雜電磁環境下FSS的應用，本文給出一種PIN二極管加載的多功能有源FSS設計。計算結果表明：通過合理的調整直流偏置電壓，可以方便地控制FSS實現兩種極化波全透過、不同極化波不同的透反功能、兩種極化波全反射的多種功能。這種電控的多功能FSS結構簡單、易于實現，為FSS的實際工程應用提供了新的設計思路。

[1] WU T K. Frequency Selective Surface and Grid Array[M]. New York:Wiley, 1995.

[2] 高勁松. 基于立體打印技術制作曲面頻率選擇表面[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(3):4-7.

[3] 蔣忠進,趙書敏,耿江東,等. 基于雷達成像的地面停留隱身飛機探測[J]. 雷達科學與技術, 2016, 14(1):54-58.

[4] VITA F D, MARCO S D, COSTA F, et al. 選擇隱形天線的模式[J]. 科技縱覽, 2014(9):52-54.

[5] 尹柏林,陳明生,劉湘湘,等. 基于方環形單元的新型頻率選擇表面設計[J]. 微波學報, 2016, 32(1):57-60.

[6] 關福旺,肖紅,施楣梧,等. 織物基頻率選擇表面材料的制備及應用[J]. 紡織學報, 2016, 37(2):141-148.

[7] JIA Hongyan, FENG Xiaoguo, SHENG Cuixia. Tunable Frequency Selective Surface with a

Shorted Ring Slot[J]. Chinese Physics B, 2012, 21(5):203-206.

[8] 吳翔,裴志斌,屈紹波,等. 具有極化選擇特性的超材料頻率選擇表面的設計[J]. 物理學報, 2011, 60(11):271-275.

[9] 王秀芝,高勁松,徐念喜. 利用集總LC元件實現頻率選擇表面極化分離的特性[J]. 物理學報, 2013, 62(14):428-432.

[10] 賈宏燕,李田澤,楊淑連,等. 開口圓環單元帶通頻率選擇表面的仿真與測試[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(12):77-80.

[11] 徐念喜,高勁松,馮曉國,等. 一種實現微型頻率選擇表面通帶開關的方法[J].微波學報, 2011, 27(4):1-5.

[12] HU Wenfei, DICKIE R, CAHILL R, et al. Liquid Crystal Tunable mm Wave Frequency Selective Surface[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007, 17(9):667-669.

[13] CHANG T K, LANGLEY R J, PARKER E. An Active Square Loop Frequency Selective Surface[J].

IEEE Microwave and Guided Wave Letters, 1993, 3(10):387-388.

[14] 趙朋斌,蒲文飛,陸磊. PIN二極管在射頻電路中的應用[J]. 信息系統工程, 2014(9):83-84.

[15] 黃小忠,楊澤波,杜作娟,等. 一種雙頻段有源頻率選擇表面的設計[J]. 計算機仿真, 2014, 31(9):195-199.