一種具有多通帶特性超表面的設(shè)計(jì)

竇興科

（中國電子長風(fēng)科技有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730070）

1 引言

隨著信息化戰(zhàn)爭概念的興起，信息的篩選、加密以及隱身技術(shù)越來越重要，使得具有頻率選擇功能的天線罩在軍事上得到了廣泛應(yīng)用，不僅在一定角度域內(nèi)對特定頻率的電磁波具有選擇特性，且同時(shí)還可以降低天線的雷達(dá)散射截面（RCS）。而現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，電子對抗武器設(shè)備以及隱身技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于具有多頻段電磁性能的天線罩需求巨大，其能夠在保證通信系統(tǒng)正常工作的同時(shí)，有效降低電子設(shè)備間的干擾及被敵方雷達(dá)探測的可能性，提高我軍通信，電子系統(tǒng)間兼容與偵察能力。

頻率選擇技術(shù)[1-2]作為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身，電磁兼容及防護(hù)的關(guān)鍵手段之一，近年來已成為微波和天線學(xué)者們研究的熱門話題。而具有可任意調(diào)控譜線特性的超構(gòu)表面[3-5]可以實(shí)現(xiàn)更高性能的頻率選擇性能。超構(gòu)表面是厚度遠(yuǎn)小于波長的人工結(jié)構(gòu)按照一定序列排列的人工二維材料，具有極化，譜線，波前，電調(diào)等多種調(diào)控能力，是解決電子干擾，偵察及隱身的重要研究方向。

針對上述需求，東南大學(xué)羅國清將基片集成波導(dǎo)腔體應(yīng)用在頻段技術(shù)上、提出一種高性能雙頻結(jié)構(gòu)，且具有帶內(nèi)平坦度與陡截止特性[6]。2015 年，國防科技大學(xué)提出了一種結(jié)合分形技術(shù)以及多層技術(shù)的具有低帶內(nèi)插損、寬帶寬、良好陡降特性的新型結(jié)構(gòu) ，實(shí)現(xiàn)了相對帶寬43.5%，25.1%，24.2%的寬頻特性。2018 年，山東科技大學(xué)曹其棟等提出了一種互補(bǔ)三層雙通帶結(jié)構(gòu)，在X 波段可以實(shí)現(xiàn)一階通帶，在 Ka 波段可以實(shí)現(xiàn)二階通帶，且?guī)?nèi)平坦度高，陡截止性能好[7]。2015 年，中國電子科技集團(tuán)38 研究所提出了一種新穎的具有較陡邊帶和較寬高阻帶特性的四通帶濾波器[8]，設(shè)計(jì)了在 GPS（1.57GHz）、DCS（1.8GHz）、WLAN（2.4GHz）、WiMAX（3.5GHz）頻段的四通帶濾波器，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在2017 年，電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)新型的雙通帶和三通帶的頻選表面[9]，并研究了其在開關(guān)通斷控制下的頻率變化以及在可控基板材料下所呈現(xiàn)的頻率可控性。但以上研究存在厚度厚，帶寬窄及角度敏感等缺點(diǎn)。

圖1

圖2：垂直和水平極化下的譜線

為解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在的弊端，本文基于三明治型夾層設(shè)計(jì)了一種工作于Ku 和Ka 波段的三通帶超表面，具有較高通帶特性，角度穩(wěn)定性及寬頻特性。從仿真結(jié)果可知，三通帶相對帶寬分別為15.9%，5.9%，4.8%，帶內(nèi)平坦及透波插損小，0°～60°的傳輸特性穩(wěn)定，且具有輕薄，成本低及易加工等優(yōu)勢。

2 單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3：13 GHz 時(shí)的電場分布圖

圖4：21 GHz 時(shí)的電場分布圖

單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，橙色部分為金屬銅材質(zhì)，厚度為0.035 mm，灰色部分為介質(zhì)基板，厚度均為h，由介電常數(shù)為2.65，損耗正切 tan δ=0.002 的F4B-2 材料制成。紅色部分為PMI 泡沫，厚度為h1，由介電常數(shù)1.15，正切損耗0.002 的材料制成，綠色部分為玻璃鋼板材，介電常數(shù)為4，正切損耗0.01，厚度h2，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度。從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)由三層金屬貼片和兩層介質(zhì)基板組成，其中上層與下層金屬貼片結(jié)構(gòu)相同，由四角的十字型金屬及中間的鏤空十字型結(jié)構(gòu)組成，提供三通帶的共振體，如圖1（b）所示，中間層金屬貼片結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，由一個(gè)鏤空的金屬網(wǎng)格組成。

利用CST Microwave Studio 電磁仿真軟件對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似全波仿真，對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做參數(shù)優(yōu)化，使其滿足雙通帶的設(shè)計(jì)要求。選擇周期性邊界條件進(jìn)行模擬仿真。優(yōu)化后的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：P=4.9mm, h=1mm, h1=1mm, h2=0.3mm, l=3.7mm, l1=1.2mm, l2=1.35mm, l3=0.5mm, w=0.7mm, w1=0.2mm, w2=0.22mm, r1=1.7mm，r2=1.3mm。

圖5：31GHz 時(shí)的電場分布圖

圖6：大角度入射的透射譜線

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 透波特性

圖2 給出了該結(jié)構(gòu)在入射波垂直入射的情況下，垂直極化和水平極化的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，新型結(jié)構(gòu)在Ku 和Ka 波段形成三個(gè)通帶，其中第一個(gè)通帶的透射譜線-1 dB 帶寬2.1 GHz（12.1～14.2 GHz），第二個(gè)通帶的透射譜線-1 dB 帶寬1.4 GHz （19.8～21.2 GHz），第三個(gè)通帶的透射譜線-1dB帶寬3 GHz（29.5～32.5 GHz）。而且垂直極化與水平極化的頻率相應(yīng)曲線幾乎一致，因此，三通帶超表面結(jié)構(gòu)具有良好的極化穩(wěn)定性。同時(shí)，三個(gè)通帶內(nèi)波紋較小，傳輸平坦度高，通帶與阻帶的過濾區(qū)域具有良好的陡降特性。

3.2 場分布特性

圖3 為結(jié)構(gòu)在13.0 GHz 時(shí)上層、下層貼片與中間層貼片的電場分布圖，從圖中可以看出第一個(gè)通帶的電流主要分布在上下層中間的復(fù)合式耶路撒冷型金屬與中間層中心的圓形縫隙上，發(fā)生強(qiáng)耦合產(chǎn)生第一個(gè)通帶。圖4 為結(jié)構(gòu)在21 GHz 時(shí)的電場分布圖，從圖中可以看出第二個(gè)通帶的電流主要分布在上下層的四角上的十字型金屬與中間層四角的圓形縫隙上，金屬之間發(fā)生強(qiáng)耦合產(chǎn)生第二個(gè)通帶。圖5 為結(jié)構(gòu)在31.0 GHz 時(shí)的電場分布圖，從圖中可以看出第三個(gè)通帶的電場主要分布在上下層的中間十字型金屬鏤空部分與中間層中間的圓形縫隙上，由其耦合產(chǎn)生第三通帶。

3.3 角度穩(wěn)定性

在不同入射角下，三通帶結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著入射角度的增加，第一通帶的水平極化存在頻移現(xiàn)象，中心頻點(diǎn)往高頻移動，帶寬變化不明顯，第二、三通帶的中心點(diǎn)諧振點(diǎn)穩(wěn)定，帶寬略微減小，但角度的增加使得雙通帶的透波損耗增大。總體來看，在0°～60°入射角度內(nèi)，新型結(jié)構(gòu)的透波損耗趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的三通帶超表面的設(shè)計(jì)方案。由仿真結(jié)果可知，在保證良好的高透波特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了角度穩(wěn)定性和極化穩(wěn)定性。從仿真結(jié)果可知，實(shí)現(xiàn)了第一通帶12.1～14.2 GHz，相對帶寬15.9%，第二通帶19.8～21.2 GHz，相對帶寬5.9%，第三通帶29.5～32.5 GHz，相對帶寬4.8%，并在0°～60°的具有穩(wěn)定的傳輸特性。這種新型超表面在衛(wèi)星通信，電子偵察及解決設(shè)備間電磁干擾方面具有較大的應(yīng)用前景，且具有輕薄，成本低且易加工的優(yōu)勢。當(dāng)然，缺陷在于該設(shè)計(jì)未通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。