一種窄帶三維頻率選擇表面

董進 于正永

摘要：提出了一種雙極化窄帶三維頻率選擇表面。該頻率選擇表面由若干個相同的單元結構周期排列構成，每個單元結構包括一個方形金屬筒和一個方形介質塊。方形介質塊的上下表面刻有一對相同的耶路撒冷金屬十字，中間層為帶有四個相同矩形孔徑的方形金屬板。單元結構的上下表面諧振結構通過中間層矩形孔徑發生電磁耦合作用，產生了兩個傳輸極點，形成了平坦二階通帶響應。此外，在通帶右側產生了兩個傳輸零點，頻率選擇和帶外抑制性能得到了提升。同時該頻率選擇表面在雙極化模式下具有良好的角度穩定性。

關鍵詞：窄帶;頻率選擇表面;帶通;三維;耶路撒冷金屬十字

中圖分類號：TN713? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0212-03

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近年來，頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）得到了廣大學者的關注和研究，廣泛應用于天線副反射器、天線罩、吸波材料以及電磁屏蔽等[1-4]。對于傳統二維（Two-Dimensional，2D）FSS來說，存在無法構建多個諧振模式，傳輸零極點數量不足、多層堆疊FSS厚度及電尺寸較大、單層FSS帶寬不寬等方面缺點。后來研究人員提出了三維（Three-Dimensional，3D）FSS的概念，3D FSS單元結構增加了一個維度的設計自由度，更便于構建多模諧振腔。新加坡南洋理工大學沈忠祥教授團隊最早提出了3D FSS概念[5-7]，他們基于屏蔽微帶線結構設計了一系列帶通3D FSS，以上問題得到了有效的改善，但這些結構只能工作于單極化模式，限制了它們的實際應用。也有研究人員基于過孔的金屬板加載介質諧振器，借助電磁耦合作用，實現了具有寬頻特性的帶通3D FSS，但是通帶兩側沒有任何傳輸零點，其頻率選擇性能和帶外抑制性能一般[8-10]。近兩年，本文團隊借助方形波導腔加載介質諧振器的組合結構提出了一系列高性能的3D FSS[11-16]，由于其單元結構的對稱性設計，因此很容易實現雙極化性能，同時通過改變金屬諧振單元形狀實現了橢圓響應、寬帶外抑制、雙頻/多頻等性能。為了適應窄帶通信應用場景需求，本文設計一款具有窄帶特性的3D FSS，通過仿真驗證，所提出的3D FSS具有高的頻率選擇性、寬的帶外抑制、良好的角度穩定性以及雙極化等優勢。

1 3D FSS單元設計與仿真

圖1為所提出的窄帶帶通頻率選擇表面的單元結構示意圖。其中，圖1（a）為單元結構透視圖，每個單元結構由一個方形金屬筒和一個方形介質塊（其相對介電常數為4.4）組合而成。方形介質塊的上下表面刻有一對相同的耶路撒冷金屬十字、中間層為帶有四個相同矩形孔徑的方形金屬板。圖1（b）為單元結構的上下表面示意圖，圖1（c）為單元結構的中間層示意圖。所提出的FSS單元結構的基本參數如表1所示。

圖2表示在電磁波垂直入射時所提出的3D FSS的傳輸系數和反射系數HFSS仿真曲線。由圖可以發現，產生的兩個傳輸極點分別為6.36GHz和6.42GHz，由此形成了一個平坦通帶，通帶中心頻率為6.39GHz，其通帶3dB相對帶寬僅為2.8%。同時在右側帶外產生了兩個傳輸零點（分別位于7GHz和8.2GHz處），右側阻帶20dB帶寬為6.4GHz（6.6～13GHz），相對工作帶寬為65.3%，其頻率選擇性能得到了很大程度提高。其單元結構的電尺寸大小為0.2λ0×0.2λ0×0.03λ0（λ0為自由空間波長）。由此可知，所提出的3D FSS具有窄帶特性、高的頻率選擇性、寬的帶外抑制以及較小的電尺寸。

2 3D FSS極化特性和角度穩定性

很顯然，所設計的窄帶3D FSS結構具有對稱性，所以很容易實現雙極化功能。由圖3可以發現，該3D FSS在TE和TM兩種極化模式下具有相同的頻率響應，也驗證了所提出的3D FSS具有雙極化特性。

圖4給出了所提出3D FSS在兩種不同極化模式、不同入射角度條件下的傳輸系數HFSS仿真結果。由圖4可知，在TE和TM兩種極化模式下，電磁波以0°，30°，60°角度入射時具有較好的角度穩定性。但也可以發現，在TM模式下，隨著入射角度的不斷增大，在通帶右側帶外發生了柵瓣效應，高頻處的傳輸零點隨入射角度的增加，往低頻移動，導致帶外抑制性能降低和阻帶帶寬減小，但是，通帶性能未受到影響。

3 結束語

提出了一種雙極化窄帶帶通3D FSS結構。由于單元結構的上下表面諧振結構通過中間層孔徑發生電磁耦合作用，產生了兩個傳輸極點，形成了平坦通帶。同時，在通帶右側帶外引入了兩個傳輸零點，形成了高的頻率選擇性和寬的帶外抑制性能。在TE/TM雙極化條件下，入射角度達到60°時仍具有良好的角度穩定性。相比于現有窄通FSS來說，該3D FSS具有窄帶特性、高的頻率選擇性、寬的帶外抑制、良好的角度穩定性以及雙極化等明顯優勢。

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【通聯編輯：朱寶貴】