大角度穩定的雙頻雙極化頻率選擇表面

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( 1.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室， 江蘇南京 210044；2.江蘇省氣象傳感網技術工程中心， 江蘇南京 210044；3.南京信息工程大學雷達技術研究所， 江蘇南京 210044)

0 引言

隨著現代通信和雷達技術的快速發展，對多頻高增益天線的需求日益突出，把卡塞格倫天線副反射面設計為頻率選擇表面(FSS)，實現同一副天線發射或接收兩種不同頻段的電磁波，不僅可以降低多頻段通信的成本，而且可以減少衛星和機載設備的載荷。這種雙極化多頻面天線實現的關鍵是設計一個具有透射和反射特性的雙頻FSS，且具有較寬入射角度和極化穩定性。

頻率選擇表面(FSS)是一種可以選擇性透射或反射不同頻率電磁波的周期性結構，在軍事和氣象領域具有很高的研究價值和應用前景，已廣泛用于飛機和軍艦的隱身技術、人工磁導體、微波極化轉換器、大口徑反射面天線和雷達罩[1-3]。近期頻率選擇表面(FSS)的研究熱點包括非諧振單元構造等效容值感值的最小頻率選擇表面(MEFSS)[4]，具有高矩形系數和帶外抑制特性的基片集成波導型頻率選擇表面[5]，可重構的有源頻率選擇表面[6]等。

1 設計過程

在多波段通信衛星天線中，頻率選擇表面(FSS)可同時提供雙波段或多波段覆蓋。

圖1是多頻面天線，雙曲面形式的副反射面虛焦點與拋物面形式主反射面的焦點重合，X波段和Ku波段饋源的相位中心分別位于主反射面的焦點和副反射面的實焦點。雖然用孔徑型頻率選擇表面(FSS)可達到低頻反射和高頻透射特性相對簡單，但為減小高頻饋線損耗，一般把X波段的饋源放置在天線主反射面焦點處，Ku波段饋源放置在副反射面的實焦點處。天線發射或接收時，X波段電磁波透射過FSS副反射面，被拋物面形式的主反射面以平面波傳播，Ku波段饋源發射的電磁波被FSS反射，同樣被主反射面以平面波傳播。設計出具有極化穩定性的頻率選擇副反射面，可實現同一副天線接收或發射兩種不同頻率，不同極化的電磁波，不僅減少了成本，在探測特殊目標物時還可以獲得豐富的回波信息[7]。在實際應用中，無論是在分頻復用的反射面天線，還是應用于雷達罩，都需要考慮大角度電磁波入射下FSS的頻率響應特性。設計具有大角度和極化穩定性的頻率選擇表面，選取單元周期小尺寸，陣列排布緊密的結構尤為重要。圖2將常規排列的FSS與六邊形緊湊排列的FSS進行對比，后者擁有更好的角度和極化穩定性。

圖1 雙頻面天線示意圖

圖2 Y單元常規排列、六邊形緊湊排列和二者的傳輸特性對比

從頻率特性上看，頻率選擇表面(FSS)一般分為兩類，孔徑型形成的帶通響應和貼片型形成的帶阻響應。要設計一種在低頻段透射、高頻段反射的結構，單一的孔徑型和貼片型都不能滿足此設計要求。在雷達罩和副反射面的共形設計中，考慮多層頻率選擇表面進行曲面加工的誤差和復雜程度，本文采用如圖3所示的單層結構，緊湊排列的孔徑在9.4 GHz左右形成較大的通帶，發生透射；緊湊排列的貼片在14.5 GHz形成阻帶，發生反射，把緊湊排列的貼片型頻率選擇表面放置在孔徑型頻率選擇表面中，金屬間距的減小增大了整體的容值，貼片型頻率選擇表面的加入增加了整體的感值，降低了諧振頻率，使得頻率選擇表面進一步小型化。與常規排列方式相比，六邊形緊湊排列的方式大大降低了陣元間距，提升了頻率選擇表面的角度穩定性和極化穩定性，而且卡塞格倫天線的副反射面一般是雙曲面，當雙曲面曲率較小且單元與副反射面相比極小時，設計中可以用平面頻率選擇表面(FSS)來近似曲面。本文采用六邊形排列的方式，單元間十分緊湊，間距小于諧振波長的六分之一，不僅具有更好的角度和極化穩定性，而且近似曲面的程度也更高。設計中Y單元相當于把彎折后的偶極子單元首尾相連，在單元周長約等于一個有效波長時發生諧振，根據式(1)可以算出介電常數為3.38的Rogers 4003C介質板加載時X波段的有效波長，可以粗略估算出Y型結構單邊長度約為3.2 mm。

(1)

圖3 單個FSS單元和組合后FSS單元的傳輸系數

圖4 周期結構柵瓣形成示意圖

(2)

柵瓣出現的頻率f為

(3)

(4)

得到柵瓣開始出現的頻率與陣元間距P的關系，由式(4)可知，當單元間距小于半個波長時在任意角度入射均不會出現柵瓣，經計算，入射波頻率在20 GHz以內任意角度入射不出現柵瓣的條件是陣元間距小于7.5 mm。

圖5(a)用外縫臂長L1和單元間距P單獨控制X波段通帶，單元間距的減小使得Y孔徑單元的帶寬增加，而孔徑中引入的Y貼片單元也會受到影響，導致引入的Ku波段反射帶輕微右移，通過加大外縫臂長使其穩定。圖5(b)用外縫臂長L1和內環寬W2單獨控制Ku波段反射帶，L1的減小使得通帶和反射帶諧振頻率變高，同時增大內環寬會使整個Y單元變寬，相當于減小了單元間距，使得X波段諧振頻率減小，Ku波段諧振頻率增大，實現對Ku波段反射帶的控制。

(a) 單獨控制X波段通帶

(b) 單獨控制Ku波段反射帶圖5 改變臂長L1、單元間距P和內環寬W2 實現對不同頻段的單獨控制

2 仿真設計

Y環單元的特征尺寸如圖2所示，包括外縫寬W1、外縫臂長L1、內環寬W2、內環臂長L2，根據理論推導臂長和單元間距，仿真優化后得到該結構的參數為：外縫寬W1=1 mm，外縫臂長L1=3.3 mm，內環寬W2=0.3 mm，內環臂長L2=3 mm，相鄰單元間的距離為5 mm，外縫和內環間的縫隙寬0.3 mm。本文使用基于有限元算法的ANSYS HFSS進行仿真計算，使用介電常數為3.38的Rogers 4003C介質板，厚度為0.508 mm，銅厚為0.038 mm，考慮到導電體的氧化和表面粗糙度，仿真時將銅的電導率調低一個數量級以接近實際情況。圖 6和圖7分別是TM和TE波從不同角度入射時仿真得到的傳輸系數，圖8和圖9分別是TM和TE波從不同角度入射時仿真得到的反射系數。在通帶9.41 GHz處，TM波在0°～80°入射時損耗小于0.25 dB，5%的帶寬內損耗小于0.34 dB；TE波0°～80°入射時損耗小于0.8 dB，5%的帶寬內損耗小于1 dB。在反射帶14.5 GHz處，TM波在0°～80°入射時反射率大于97.5%，5%的帶寬內反射率大于96.5%；TE波 0°～80°入射時反射系數大于93%，5%的帶寬內反射系數大于91%。以上仿真結果表明，新型單元即使在入射角偏離法線80°的臨界值，頻率選擇表面(FSS)的諧振頻率和基本特性依然穩定，基本不受電磁波入射角度的影響。

圖6 仿真TM波0°～80°入射的傳輸系數

圖7 仿真TE波0°～80°入射的傳輸系數

圖8 仿真TM波0°～80°入射的反射系數

圖9 仿真TE波0°～80°入射的反射系數

3 實測結果

考慮頻率選擇表面(FSS)將作為有限大的副反射面使用，制成了如圖10所示120 mm×120 mm規格,如圖11(a)、圖11(b)所示用網絡分析儀以及工作頻率在X波段和Ku波段的喇叭天線對頻率選擇表面(FSS)進行測試。

圖10 制備的頻率選擇表面(FSS)

(a) 測試系統框圖

(b) 暗室測試圖圖11 測試系統框圖和暗室測試圖

圖12 實測TM波0°～80°入射的傳輸系數

圖13 實測TE波0°～80°入射的傳輸系數

(5)

厚度為0.508 mm的 Rogers 4003C介質板在14.5 GHz處介質損耗為3%，實測TE波和TM波0°～80°角入射在反射帶5%帶寬內S21小于 -12 dB,即0°～80°在反射帶5%帶寬內FSS透射率小于6.3%，由實測透射率和介質損耗，根據式(5)計算出TE波和TM波0°～80°入射時在中心頻率14.5 GHz的5%帶寬內反射率約大于90%。表1將仿真和實測結果進行了對比，在9.41 GHz仿真和實測結果吻合，由于加工誤差造成諧振點的略微偏移，實測的有限大FSS產生的邊緣效應和仿真時理想的無限大FSS間的差異，以及測試系統中的噪聲和駐波使得14.5 GHz處實測結果略遜于仿真結果，但80°入射角內14.5 GHz處的透射系數仍小于-10 dB,可以得出仿真和實測結果基本吻合。

4 結束語

本文闡述了實現大角度穩定的雙極化頻率選擇表面(FSS)理論和設計方法。利用Y單元六邊形緊湊排列的優勢，設計了一種具有角度穩定的雙極化FSS。仿真和實測結果表明該設計方法可行，新型單元采用單層結構易于加工，0°～80°斜入射時在9.41 GHz透射，5%的帶寬內損耗小于1 dB,同時在14.5 GHz時反射，5%的帶寬內反射率約大于90%，FSS通帶和反射帶兼備良好的角度穩定性和極化穩定性，該設計對于分頻復用的反射面天線和曲面流線型隱身雷達罩有很好的應用價值。