具有宽频特性带通频率选择表面的设计

李育青,裴志斌,屈绍波,,徐 卓,周 航,李均盛

(1.空军工程大学理学院,西安710051;2.西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室,西安710049)

1 引 言

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)[1-2]是由大量相同单元周期性排列构成的平面结构,能在特定的频率上实现带阻反射或者带通滤波性能。目前它在微波、红外乃至可见光频段都有广泛的应用,在微频段的一个具体应用就是采用FSS技术制作的隐身雷达罩,它可以有效地减小飞机的雷达截面积(Radar Cross Section,RCS),从而实现对探测雷达波的隐身。

FSS的研究应用主要集中在设计实现具有高性能的带通选择[3-5]和带阻反射[6]这两大类型结构上,而实现带通选择性能的FSS因选择通带的不同可分为窄带FSS[3]、多通带FSS[5]和宽带FSS。窄带和多通带FSS的研究已经比较成熟,而对于宽带FSS的设计,目前没有一个比较成熟的方法和思路,这样使得在设计宽频FSS结构时,具有很大的盲目性。近年来,随着通信技术的快速发展,对宽带微波滤波器的需求也越来越多,例如,卫星系统经常使用的X、K、Ku频段,一般都是几吉赫到十几吉赫的带宽。因此,研究效果优良的宽频带通FSS具有很高的工程应用价值。

基于此,利用高阶特性的FSS有多个极点的相互耦合,具有很好的带宽展宽性,本文提出了利用设计高阶带通FSS的方法来实现具有宽频特性的带通FSS。而后通过薄屏介质加载,利用贴片型和缝隙型FSS进行级联设计了一个具有很好传输特性的三阶五层带通FSS,实现了很好的宽频特性,从而验证了此方法的可行性。

2 设计宽频带通FSS的方法

传统设计带通FSS的方法,一般是在单层或双层金属层上蚀刻缝隙单元,通过不同的缝隙单元实现单通带或多通带的效果。此方法设计的结构虽然加工简单,易于实现,但它的频率特性往往只具有一阶的特性,如图1所示。它具有很多本身结构所具有且无法改善的缺陷:如谐振Q值偏低,导致其边带选择性能并不理想;带宽不易于控制,无法实现具有较好特性的宽频甚至超宽频带通滤波特性,因此它的应用具有很大的局限性。而二阶甚至三阶的高阶FSS如图2和图3所示,由于其具有多个极点的相互耦合作用,它们之间可以形成耦合通带,实现对带宽的有效调整和控制,从而实现宽频和超宽频的带通选择特性;而且其通带边缘特性和带外抑制性较一阶FSS也具有很大的改善。因此,可以通过设计增加FSS结构的谐振频点数(阶数),使多个频点耦合谐振在同一通带,从而实现具有宽频特性的FSS。

传统实现高阶特性的FSS,一般通过选择多层具有相同谐振特性的金属层通过加载 λ/4厚的介质层进行级联来实现,但这样设计的FSS在厚度上就达到λ左右,造成其通带具有更高的中心插耗,而且这样的尺寸也不利于实际的工程应用。

图1 一阶特性的频响曲线Fig.1 First order frequency response curve

图2 二阶特性的频响曲线Fig.2 Second order frequency response curve

图3 三阶特性的频响曲线Fig.3 Third order frequency response curve

文献[7]中通过加载薄屏的介质层(h λ)的方法,基于圆结构的良好对称性,利用贴片层级联耦合谐振层级联贴片层的三层结构[8-9],设计了一个具有较好传输特性的二阶FSS,它的绝对带宽达到4.21 GHz,相对带宽为21%。基于此方法,本文设计了一个具有五层结构的FSS,计算得到它在通带内具有三阶特性,实现了很好的宽频特性。

3 单元结构设计

图4为基于圆结构的FSS单元结构图。图4(a)为单元结构的整体示意图,它为四层薄屏介质层加载的五层结构FSS,介质层的介电常数εr=2.65,损耗正切值为0.001,厚度h=1.0 mm;最外两层和中间层均为同样结构的金属圆贴片,如图4(b)所示,其半径 r1=3.9 mm;其余相邻两层为耦合谐振层,它为开圆孔缝金属槽结构,如图4(c)所示,圆孔缝半径r2=4.9 mm,图中深色部分为金属。利用贴片型FSS和缝隙型FSS多层级联的耦合作用,实现通带的高阶特性。

图4 基于圆结构的五层三阶单通带FSS结构图Fig.4 The structure diagram of the five-layer third order FSS based on circular cell

4 传输特性分析

图5为在TE极化波正入射时此FSS的 S11和S21频响特性曲线。此时可以看出,FSS的3个极点分别为6.44 GHz、8.80 GHz和10.97 GHz,3个极点耦合形成一个中心插损很小的平顶宽通带,中心插损最大仅为0.45 dB,3 dB工作带宽此时为5.40～11.47 GHz,绝对带宽为6.07 GHz,相对带宽达到72%。而在通带外,S21能迅速地下降到-20 dB以下并一直保持,FSS具有很好的边带选择和带外抑制特性。

图5 TE波正入射时FSS的 S11和 S21传输特性向应曲线Fig.5 Simulated reflection and transmission coefficient of the FSS with normal TE wave

作为五层结构的FSS,它加载了四层介质层,相对加载两层介质的FSS,一般会具有更好的角度稳定性。而结构单元本身又具有很好空间对称性,因此,它对于不同的极化方式同样具有很好的稳定性。图6、图7分别为TE极化波和TM极化波分别入射0°～ 45°时的 S21频响曲线。

图6 TE波入射时0°～45°的S21频响特性曲线Fig.6 The simulated transmission coefficient of the FSS under improvement with different TE wave

图7 TM 波入射时0°～45°的S21频响特性曲线Fig.7 The simulated transmission coefficient of the FSS under improvementwith different TM wave

从图中可以看出,在TE极化波入射时,从正入射到45°斜入射时,下边带几乎保持不变,只是上边带稍微向高频漂移了0.21 GHz,通带带宽此时为5.61～11.47GHz,减小了0.21 GHz,相对带宽仅仅减小3%,而最大损耗在45°入射时仅为1.35 dB,通带整体没出现大的插损点;在TM极化波入射时,从正入射到45°斜入射时,上边带几乎保持不变,只是下边带稍微向高频漂移了0.20 GHz,此时工作带宽为5.40～11.67GHz,而中心插损在45°入射时最大仅为0.60 dB。因此,不论是在TE极化波下还是TM极化波下,FSS对角度的变化都能保持很好的带通性能。

5 结 论

利用具有高阶特性的FSS有多个极点的相互耦合,具有更好的带宽展宽性,本文提出了利用高阶带通FSS来设计宽频带通FSS的思想。其次,基于薄屏介质加载,利用圆结构具有很好的空间对称性,设计了一个具有五层结构的FSS。计算结果表明:此五层结构FSS具有三阶单通带特性,其绝对带宽达到6.07GHz,相对带宽达到72%,通带内插损小,带外抑制好,对不同角度、不同极化方式入射的电磁波保持很好稳定性。此三阶FSS具有很稳定的宽频特性,从而验证了利用高阶FSS实现宽频带通FSS设计的可行性。

随着宽频带卫星系统和宽频段雷达系统的大量使用,此种利用高阶FSS来设计宽频带通FSS的方法具有很广泛的应用前景。

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