一種可調超寬帶帶阻型頻率選擇表面

洪孝鵬,于春永,張得才

(中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

頻率選擇表面(FSS)通常是一種周期性二維結構陣列,通過規律地排列金屬貼片或縫隙單元,在復雜的空間電磁環境中對入射的電磁波具備濾波作用[1]。這一特性使得FSS被廣泛地用于飛行器隱身以及多功能通信等,其在復雜的電磁環境中不僅為雷達天線提供了收發信號的窗口,且作為一種具有一定強度的殼體結構,可以保護雷達天線乃至整個系統免受惡劣自然環境的影響,降低故障率的同時大大提高其使用壽命[2-3]。

為滿足現代通信系統寬帶化、小型化、多功能化、高集成度的需求,FSS正朝著多頻段、三維立體、有源、可重構等方向發展。FSS的可重構性意味著其諧振特性具備隨外部激勵變化而主動變化的能力,面對復雜電磁環境時其展現出的諧振捷變性較傳統FSS更具優勢,在電磁通信、電磁兼容、電子對抗等領域具有重要的研究價值[4]。

本文設計的基于液晶材料的頻率可調FSS,其-10 dB阻帶帶寬超過5 GHz,-10 dB相對帶寬超過32%,調諧液晶材料的介電常數可使其獲得約7%的頻率可重構能力。

1 可調帶阻型FSS結構設計

1.1 單元結構

本文提出的FSS單元結構如圖1所示,該單元由3層介質基板以及2層金屬貼片組成,其中液晶材料充當的介電常數可調介質基板位于中間,介電常數調諧范圍為2.4～3.2。雙邊加載的Rogers RO4350(tm)介質基板不僅能減小單元尺寸,還可以保護內部金屬電路免受侵蝕,最終優化得到的單元物理尺寸長、寬均為6.2 mm,金屬貼片上2對圓弧環的寬度均為0.3 mm。該單元具有尺寸小、剖面低、易加工的特點。

圖1 單元結構示意圖

1.2 調諧原理

在有限大的FSS陣列設計中,環形結構可以減小陣列周期,增強相鄰單元的耦合,從而降低諧振頻率,增加帶寬,且環形單元具有較好的角度穩定性,因此本文基于圓環結構設計的FSS,滿足雷達天線罩對FSS濾波的特性要求(寬頻帶、帶內波紋小和矩形系數近似1)。本設計中圓環槽型貼片與網柵貼片共同作用,不僅起到感性表面與容性表面互耦的作用,使其濾波特性得到了顯著的提高;同時保持了較好的頻率穩定性,還分別充當液晶材料層的正負電極以施加偏置電壓。

FSS單元的等效電路可以看作是LC諧振電路,下面給出諧振電路的諧振頻率計算公式:

(1)

(2)

式中:f0即為諧振頻率的中心頻點;L為電感;C為可調液晶材料層等效的可變電容。

公式(2)指出,電容值C正比于介電常數ε,若保持其他條件不變,可通過改變液晶介電常數ε來改變耦合電容值C。因此,當液晶介電常數ε增大時,電容值C增大,對于整體的等效電路來說也增大了諧振電路的互耦電容值。由式(1)可知,諧振頻率的中心頻點相應地變小,即頻帶向低頻方向移動。證明本文提出的液晶可調FSS結構實現電調特性具有可行性。

2 仿真結果分析

2.1 單元仿真結果及分析

對該單元進行仿真,結果如圖2(a)所示,由結果可知,在Ku以及K頻段內,該FSS單元的中心諧振頻率是16.56 GHz,-10 dB阻帶帶寬為5.33 GHz,-10 dB相對帶寬約為32.2%。該單元阻帶邊緣十分陡峭,兩側帶外抑制均超過30 dB。

當液晶介電常數從2.4連續變化到3.2時,FSS的諧振頻率會發生變化,由16.56 GHz持續向低頻移動到15.42 GHz,且不同液晶介電常數時的-10 dB阻帶帶寬保持穩定。如圖2(b)所示,調諧帶寬達到1.14 GHz,調諧范圍超過7%,且在調諧過程中頻率響應特性保持相對穩定,實現了較好的線性頻率可重構特性。

圖2 FSS單元仿真結果

FSS單元對于電磁波的入射角度穩定性仿真結果如圖3所示,隨著偏離法向入射波的角度越大(0°～60°),其中心諧振頻率越低,由16.56 GHz向低頻移至15.92 GHz,同時-10 dB阻帶帶寬逐漸增加,由5.33 GHz增加至7.16 GHz,但帶內頻率響應的整體趨勢不變,在大角度斜入射過程中依舊保持了阻帶的超寬帶特性。

圖3 不同角度斜入射時FSS單元仿真結果

2.2 陣列仿真結果及分析

將設計FSS單元組成8×8的陣列如圖4(a)所示,本文采用喇叭天線模擬電磁波的發射與接收,雙喇叭系統的傳輸與反射系數即可反映出該FSS的頻率選擇特性。調諧液晶材料層的介電常數,使其獲得頻率可重構特性,對該陣列進行全波仿真如圖4(b)所示。

圖4 FSS陣列

仿真結果如圖5所示。由仿真結果可知,在Ku頻段內,陣列的中心工作頻率是16.13 GHz,-10 dB阻帶帶寬超過7 GHz,-10 dB相對帶寬約為43%,阻帶兩側的通帶結果變差,其原因是通帶所在的頻段內喇叭輻射特性較差,造成傳輸特性的下降。同時傳輸系數損耗約為5 dB,則是由發射和接收電磁波的矩形喇叭系統本身造成,對雙喇叭系統損耗仿真結果如圖6所示。

圖5 8×8FSS陣列仿真結果

圖6 喇叭系統仿真結果

當液晶介電常數從2.4連續變化到3.2時,FSS陣列的諧振頻率會發生變化,由16.13 GHz持續向低頻移動到15 GHz,如圖5(b)所示,調諧帶寬達到1.13 GHz,調諧范圍約為7.3%,實現了FSS阻帶連續可調。在上述FSS陣列實現頻率可重構的過程中,其阻帶帶寬均保持相對穩定,具有較好的頻率穩定性。

3 結束語

本文提出的基于圓環槽型結構的超寬帶帶阻型FSS具有高頻率選擇性,且通過加載介電常數可調的液晶材料為介質基板獲得了較高的調諧率。仿真結果表明,其-10 dB阻帶相對帶寬達到32%,同時液晶材料介電常數從2.4變化至3.2時能夠獲得超過1.14 GHz的調諧帶寬,相對調諧范圍超過7%。該FSS的陣列仿真結果與單元仿真結果具有較好的一致性。本文提出的可調FSS能在不改變單元物理結構的同時獲得諧振頻率調諧特性,使FSS極大地適應復雜多變的電磁環境,是微波雷達天線罩的理想選擇。