一種新型雙通帶頻率選擇表面

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來，無線通信技術(shù)快速發(fā)展，面對(duì)有限的頻譜資源，單頻通信設(shè)備越來越無法滿足苛刻的通信要求，雙頻和多頻通信成為研究熱點(diǎn)。新型人工電磁材料可以通過人為設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)改變材料屬性從而獲得需要的電磁波傳輸特性[1]。頻率選擇表面(FSS)是由很多相同或相似單元周期性地在介質(zhì)層上排列成的平面結(jié)構(gòu)[2-3]，通常有貼片型和孔徑型兩種，可以對(duì)特定頻段的電磁波實(shí)現(xiàn)全反射或全透射，相當(dāng)于空間濾波器[4-5]。人們對(duì)FSS的研究涵蓋了電磁波的微波、紅外、可見光等波段，使其無論在軍用還是民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如空間濾波器、極化器、天線副反射面、雷達(dá)天線罩等[6-8]。

多頻FSS的實(shí)現(xiàn)通常有三種方法，一是在單層或多層介質(zhì)上加載互補(bǔ)結(jié)構(gòu)[9]，二是在同一金屬層上蝕刻不同尺寸的諧振單元從而獲得不同的諧振頻率[10]，三是借助分形理論構(gòu)造自相似形狀實(shí)現(xiàn)多頻特性[11-12]。文獻(xiàn)[13]基于不同尺寸的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種雙頻帶通 FSS，兩個(gè)通帶間隔很大，但通帶帶寬不夠理想。目前對(duì)于同時(shí)實(shí)現(xiàn)FSS的多頻性和寬頻特性的研究較鮮見。本文基于方環(huán)形縫隙及其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種工作于X和Ku波段的雙頻帶通頻率選擇表面，具有較好的寬頻特性。

1 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在單層介質(zhì)兩側(cè)加載互補(bǔ)結(jié)構(gòu)是獲得雙頻 FSS的方法之一，而單層介質(zhì)兩側(cè)分別加載方環(huán)形縫隙及其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)方環(huán)形貼片的方法得到的雙頻FSS具有帶寬窄、中心插損大等缺陷，考慮到具有高階特性的FSS可以較好地實(shí)現(xiàn)寬頻特性[14]，設(shè)計(jì)了兩層介質(zhì)加載三層金屬貼片的雙頻 FSS，外側(cè)兩層為開方環(huán)形縫隙的金屬貼片，中間為方環(huán)形金屬貼片，為穩(wěn)定高頻諧振區(qū)的傳輸特性，在外側(cè)兩層的方形金屬貼片上開了兩個(gè)圓孔。FSS的單元結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 FSS單元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The unit structure diagrams of FSS

圖1中深色部分為金屬，介質(zhì)材料為Rogers RT 5880 (tm)，相對(duì)介電常數(shù)為εr=2.2，介質(zhì)損耗正切tanδ=0.0009。單元尺寸如表1所示。

表1 FSS的幾何參數(shù)Tab.1 The geometric parameters of FSS mm

2 傳輸特性分析

2.1 通帶性能

由三維高頻電磁仿真軟件 HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的 FSS進(jìn)行仿真分析。圖2給出了TE極化波垂直入射下FSS的S11和S12特性曲線。從圖中可以看出，該FSS共有三個(gè)極點(diǎn)，第一個(gè)位于X波段，為11.3 GHz，對(duì)應(yīng)第一通帶，–3 dB通帶為10.4～11.95 GHz，帶寬1.55 GHz，相對(duì)帶寬13.87%；第二、三兩個(gè)極點(diǎn)位于Ku波段，為14.8 GHz和17.4 GHz，兩個(gè)極點(diǎn)的反射率均達(dá)到–30 dB以上，耦合形成一個(gè)較寬的第二通帶，–3 dB 通帶為 13.8～18.4 GHz，帶寬 4.6 GHz，相對(duì)帶寬28.57%，通帶內(nèi)中心插損最大為–0.5 dB，帶外迅速下降到–20 dB以下。整體來看，該FSS通帶帶寬較大，中心插損較小且?guī)庖种泼黠@。

圖2 TE波垂直入射時(shí)FSS的傳輸特性曲線Fig.2 The transmission characteristic curves of FSS with normal TE wave

2.2 角度穩(wěn)定性

實(shí)際的工程應(yīng)用中常常會(huì)遇到電磁波以不同角度斜入射的情況，這就要求所設(shè)計(jì)的FSS在電磁波斜入射時(shí)依然可以保持良好的傳輸特性，不出現(xiàn)大角度斜入射時(shí)性能急劇惡化的情況。圖3給出了TM波以0°，15°，30°和45°四個(gè)角度入射時(shí)FSS的S12特性曲線。從圖中可以看出，隨著TM波入射角度的增大，第一通帶逐漸向高頻方向偏移，當(dāng)入射角度由 0°增大到 45°時(shí)，第一通帶的中心頻率偏移了0.3 GHz，–3 dB帶寬由1.9 GHz變?yōu)?.85 GHz，減小了0.05 GHz；第二通帶幾乎沒有偏移，–3 dB帶寬由4.5 GHz變?yōu)?.4 GHz，減小了0.1 GHz，帶內(nèi)中心插損最大值由–0.53 dB變?yōu)楱C0.44 dB。整體來看，該FSS在TM波入射下具有很好的角度穩(wěn)定性。

2.3 極化穩(wěn)定性

由于FSS在幾何結(jié)構(gòu)上有著良好的對(duì)稱性，因此對(duì)不同極化方式的入射波不具有敏感性。下面選取 TE和 TM 兩種常見極化波分別以 0°，15°，30°和45°四種角度入射的情況加以分析，相應(yīng)的S12曲線如圖3和圖4所示。從圖4中可以看出，隨著TE波入射角度的增大，第一通帶的帶寬逐漸減小，當(dāng)入射角度從0°增大到45°時(shí)，第一通帶的–3 dB帶寬由1.55 GHz變?yōu)?.07 GHz，減小了0.48 GHz；第二通帶的位置基本不變，–3 dB帶寬由4.6 GHz變?yōu)?.48 GHz，減小了0.12 GHz，通帶內(nèi)的最大插損由–0.5 dB 變?yōu)楱C2.3 dB，下降較大。整體來看，對(duì)比TE極化波垂直入射時(shí)的傳輸特性，F(xiàn)SS在TE和TM極化波以不同角度入射下的傳輸特性變化不大，因此具有較好的極化穩(wěn)定性。

圖3 不同角度TM波入射下FSS的傳輸特性曲線Fig. 3 The transmission characteristic curves of FSS withdifferent incident angles of TM waves

圖4 不同角度TE波入射下FSS的傳輸特性曲線Fig.4 The transmission characteristic curves of FSS with different incident angles of TE waves

3 結(jié)論

基于方環(huán)形縫隙及其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種雙頻帶通頻率選擇表面，將單層介質(zhì)兩側(cè)加載互補(bǔ)結(jié)構(gòu)改為兩層介質(zhì)加載三層結(jié)構(gòu)，在保證了良好的角度穩(wěn)定性和極化穩(wěn)定性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬頻特性，兩個(gè)通帶的相對(duì)帶寬分別為13.87%和28.57%，第二通帶帶內(nèi)平坦，整體帶外抑制明顯，以較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較好的性能，具有一定的應(yīng)用前景。

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