毫米波段多层介质型频率选择表面设计与仿真

韦 黔，陈 迪，刘米丰，袁 涛，崔大祥

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240； 2.上海智能诊疗仪器工程技术研究中心,上海 200240；3.上海航天电子技术研究所,上海 201109)

毫米波段多层介质型频率选择表面设计与仿真

韦 黔1,2，陈 迪1,2，刘米丰3，袁 涛3，崔大祥1,2

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240； 2.上海智能诊疗仪器工程技术研究中心,上海 200240；3.上海航天电子技术研究所,上海 201109)

针对准光学馈电网络系统对高性能频率分离器件的需求，研究了一种工作于毫米波段的多层金属微结构介质型频率选择表面(FSS)，可透射183 GHz频段反射118 GHz频段电磁波。设计了一种基于多层金属结构的介质型太赫兹FSS，由在多层Mylar膜(介电常数3.0，损耗正切值0.001)间镶嵌多层基本单元为方孔结构的金属铜，中心频率位于183 GHz附近，对频率175～191 GHz的电磁波表现为透射性，对112～124 GHz的电磁波表现为反射性。用CST MWS软件仿真分析了介质层(Mylar胶)厚度和金属层数对频率选择表面传输性能的影响，并对结构参数进行优化。结果表明：当介质层厚度100 μm，金属铜8层，周期306 μm，线宽20 μm，金属厚度20 μm时，频率选择表面在相应频段内的插入损耗与反射损耗均小于0.3 dB，同时118 GHz处隔离度大于22 dB，各项传输性能完全满足设计指标要求。

毫米波段； 183 GHz/118 GHz； Mylar胶； 多层金属微结构； 频率选择表面； 结构参数； 插入损耗； 反射损耗； 隔离度

0 引言

微波辐射计作为气象卫星的重要探测设备，已广泛搭载于极轨气象卫星投入应用，如目前我国在轨的FY-3系列卫星。下一代微波探测载荷空间分辨率指标要求更高，辐射计部分频段处于亚毫米波段，且具频段覆盖广、探测通道多、不同探测通道观测一致性好等特点。传统微波辐射计的焦平面馈源阵列排布方式的载荷体积、重量与共视轴等特性均无法满足上述要求，同时因采用波导实现波束传输，难以满足超宽带与低插损的应用需求。利用准光学技术设计的多频段亚毫米波准光复用系统，可使不同频段、不同极化通道的亚毫米波束共用卫星天线且功率传输损耗极低，能满足下一代亚毫米波探测载荷的指标要求，是国内外星载毫米波与亚毫米波探测载荷领域的研究热点之一。

准光学馈电网络由极化分离器、频率分离器、馈源喇叭及反射镜等器件组成，目前国际上已有多颗卫星搭载该系统开展探测任务[1-3]。频率选择表面(FSS)是一种由基本结构单元进行平面周期拓展后得到的周期阵列，本质是一种对电磁波有选择透过性的空间滤波器，可作为准光学馈电网络中的频率分离器，将馈电系统接收到的电磁热辐射信号分离成不同频带的信号以供后续处理，是准光学馈电网络的核心器件。国外对FSS的研究开展较早，20世纪60年代美国学者发表了相关的专著，介绍了FSS的完整理论，详细研究了各种FSS结构的优缺点[4]。至今，国外对FSS已形成了完整的产业链并有成熟产品公开发售[5]。国内相关研究起步较晚，早期受限于加工工艺，研究主要局限于结构仿真与优化。进入新世纪后随着加工技术的进步，各种新型结构单元FSS的研究发展迅猛[6]。对多层介质型金属网状结构FSS，国内外进行了大量研究，英国卡迪夫大学的PETER课题组设计出了多层金属网格FSS，有优异的传输性能，并已产业化进行公开发售，但价格昂贵[5]。文献[7]通过仿真，分析了周期大小、线宽、金属层厚度和介质层厚度等参数对金属网格FSS传输性能的影响。赫兹(0.1～10 THz)频段的FSS，尤其是多层金属结构的太赫兹FSS，国内目前研究多局限于仿真研究，尚未达到产业化水平。

本文针对准光学馈电网络系统对高性能频率分离器件的需求，研究了工作于毫米波段的太赫兹介质型频率选择表面。为满足准光学馈电网络中频率分离器件必须在通带具低插入损耗，在阻带具高隔离度的要求，设计了一种基于多层金属结构的介质型太赫兹FSS，由在多层Mylar膜(介电常数3.0，损耗正切值0.001)间镶嵌多层基本单元为方孔结构的金属铜，中心频率位于183 GHz附近，对频率位于175～191 GHz的电磁波表现为透射性，112～124 GHz的电磁波表现为反射性，通过仿真分析了Mylar膜厚、金属层数两个参数对多层FSS传输性能的影响，并根据仿真结果优化结构参数。

1 方案设计

1.1技术指标

作为准光学馈电网络的核心器件，FSS的插入损耗对整个系统的插入损耗有决定性的影响，因此要求FSS在相应频段的插入损耗必须维持在一个较低的水平，同时在指定频段有高隔离度，以满足馈电系统的应用要求。本文用CST公司的 CST MICROWAVE STUDIO全波电磁仿真软件进行仿真。该软件基于有限积分技术(FIT)，直接从麦克斯韦方程组导出解，计算快速，结果准确可靠。仿真参数设置和设计指标分别见表1、2。

表1 CST MWS仿真参数设置

表2 FSS主要设计指标

1.2结构模型与等效电路

根据设计要求，FSS需要在高频段(175～191 GHz)透射电磁波，低频段(112～124 GHz)反射电磁波，类似于一个高通滤波器，因此设计的多层FSS基本结构单元采用金属网格型(如图1所示)，对电磁波呈现高通特性，其等效电路如图2所示。

图1 多层FSS结构Fig.1 Structure of multilayer FSS

图2 网格型FSS等效电路Fig.2 Equivalent circuit of grid FSS

设FSS单元结构周期为P，线宽为W，Mylar胶的相对介电常数为εr，则上述电路模型中有

(1)

(2)

式中：ε0，μ0分别为真空介电常数和磁导率[8-9]。

根据FSS周期结构的谐振原理，当结构单元周期为λ/2的整数倍时(λ为FSS谐振波长)，会在对应频率产生谐振，故P，W可由式(1)、(2)及要求的中心频率(183 GHz)计算确定。与周期和线宽相比，金属厚度T1对FSS传输性能的影响较小，故其选取可结合后续MEMS工艺的要求(金属层不宜过厚，以便于电镀)确定。当通过理论方法算得P，W的大概取值后，由CST仿真将其频率调整至183 GHz附近，然后再微调金属厚度，使其中心频率位于183 GHz。

一般来说，在FSS一侧加载介质层会降低FSS的中心频率，同时若介质层材料的损耗正切较大，则会使FSS结构的插入损耗增大[10]。加载介质层的厚度一般要小于λ/4，本文设计中，介质层材料为Mylar(相对介电常数3.0，损耗正切0.001)，Mylar膜的厚度T2=100 μm(根据能购买的产品而定)。综上，则由理论计算综合CST MWS软件仿真调整，可得对应的FSS结构参数为：P=630 μm；W=20 μm；T1=30 μm；T2=100 μm。

2 仿真结果与分析

仿真分析了单层金属结构FSS周期大小、线宽、金属层厚度三个参数对FSS传输性能的影响，所得三个参数对单层FSS中心频率与183 GHz插入损耗的影响如图3所示。由图3可知：FSS的中心频率与周期大小成反比，与金属厚度与线宽成反比，183 GHz的插入损耗与周期成反比，与金属厚度与线宽成正比。

图3 不同周期、金属厚度和线宽对FSS 中心频率和插入损耗的影响Fig.3 Center frequency and insertion loss of single layer FSS under different P, T1 and W

仿真分析了周期大小、线宽和金属层厚度三个参数对单层FSS在118 GHz的隔离度与在118 GHz的反射损耗的影响，结果如图4所示。由图4可知：FSS在118 GHz的隔离度与周期成反比，与金属厚度及线宽成正比；FSS在118 GHz的反射损耗与周期成正比，与金属厚度与及线宽成反比。

图4 不同周期、金属厚度和线宽对FSS 隔离度和反射损耗的影响Fig.4 Isolation and reflection loss of single layer FSS under different P, T1 and W

上述仿真结果为之后的多层结构的设计提供了理论参考。以下分析影响多层FSS结构传输性能的两个核心参数——介质层厚度与金属层层数。

2.1Mylar膜厚度

将多层FSS的金属层数固定为6层，改变Mylar膜厚度，用仿真分析不同Mylar膜厚度下的多层FSS的传输特性，所得插入损耗如图5所示。由图5可知：Mylar厚度为200 μm时，183 GHz的插入损耗超过了1 dB，不符合设计要求，由此可排除厚度200 μm；Mylar厚度为300 μm时，183 GHz的插入损耗超过了0.3 dB，同样不符合设计要求，且在该厚度下多层FSS的插入损耗波形抖动过大，因此亦可排除厚度300 μm。

图5 不同Mylar膜厚度下FSS插入损耗Fig.5 Insertion loss of FSS under different Mylar thickness

多层FSS的118 GHz隔离度与反射损耗如图6所示。由图6可知：Mylar膜厚度200，300 μm时，118 GHz隔离度均离22 dB较远，不符要求，且此时118 GHz的反射损耗均超过了0.3 dB，不符合指标；Mylar膜厚度100 μm时各指标均较优异，183 GHz的插入损耗与118 GHz的反射损耗均小于0.3 dB，且118 GHz的隔离度接近22 dB。综上，本文在Mylar膜厚度100 μm的基础上进行研究。

图6 不同Mylar厚度下FSS隔离度与反射损耗Fig.6 Isolation and reflection loss of FSS under different Mylar thickness

图7 不同金属层数下FSS插入损耗Fig.7 Insertion loss of FSS under different numbers of Cu layer

2.2金属层数

根据前文仿真结果，取多层FSS的Mylar膜厚度为100 μm，用仿真研究不同金属层数时FSS的传输特性。仿真所得FSS金属层数为4，6，8时的插入损耗、隔离度和反射损耗分别如图7、8所示。由图7、8可知：当Mylar膜厚度调整合适时，增加金属层数，118 GHz处的隔离度增大，反射损耗减小；虽然层数增加，183 GHz的插入损耗增大，但均在0.3 dB内，符合指标要求，后续需进行优化，将中心频率调整至183 GHz附近，同时使隔离度与反射损耗满足指标要求。

图8 不同金属层数下FSS隔离度与反射损耗Fig.8 Isolation and reflection loss of FSS under different numbers of Cu layer

2.3优化结果

本文经对Mylar厚度与金属层数的仿真分析，以及优化，得到最后的设计为：金属层数8层，周期306 μm，线宽20 μm，金属厚度20 μm，Mylar膜厚100 μm。性能仿真结果分别如图9、10所示。由图9、10可知：经本文的仿真分析与优化后，多层金属结构FSS的各项指标已满足要求，相应频段的插入损耗与反射损耗均小于0.3 dB，且118 GHz的隔离度大于22 dB。通带的插入损耗和阻带的反射损耗与隔离度，均在指标要求的基础上留有较大的裕量，这为后期样品的MEMS加工提供了保障。

图9 优化后FSS隔离度与反射损耗Fig.9 Isolation and reflection loss of FSS after optimization

图10 优化后FSS插入损耗Fig.10 Insertion loss of FSS after optimization

3 结论

本文采用软件仿真研究了多层金属微结构FSS在不同相关结构参数下的传输特性。研究发现：对多层结构FSS，层与层间的耦合距离是一个较重要的参数，层与层间Mylar膜变厚之后，183 GHz插入损耗与118 GHz反射损耗都会增大。调整到合适的Mylar厚度(100 μm)后，通过叠加多层金属结构，可在满足通带低插入损耗的同时提高阻带的隔离度，叠加的FSS金属层数越多，118 GHz处的隔离度越大，但通带插入损耗也越大，阻带反射损耗减小。最后调整参数为：Mylar膜厚度100 μm，金属层数8层，可使FSS在118 GHz处的隔离度大于22 dB，同时在175～191 GHz的插入损耗在0.14 dB以内，在112～124 GHz的反射损耗在0.1 dB以内(均优于0.3 dB)。

通过对毫米波段介质型频率选择表面的设计与仿真，本文对太赫兹多层介质型FSS的研究进行了探索。通过对结构参数进行优化，本方案设计可基于国内现有的MEMS工艺条件进行实物加工和性能测试，有其工程适用性。虽然目前仅处于理论研究与仿真阶段，但后续的研究将从方案设计出发，进行多层介质型FSS的实物加工与性能测试，通过改良MEMS工艺，使加工得到的多层FSS具优异的传输性能，能实际用于准光学馈电网络系统。

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DesignandSimulationonMillimeterWaveMultilayerFrequencySelectiveSurfaceBasedonMylarSubstrate

WEI Qian1, 2， CHEN Di1, 2， LIU Mi-feng3， YUAN Tao3， CUI Da-xiang1, 2

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Engineering Research Center for Intelligent Diagnosis and Treatment Instrument,Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

Aim at the requirement of quasi optical feed network system for high frequency separation device, a millimeter wave multilayer frequency selective surface (FSS) based in Mylar substrate was studied in this paper, which could transmit 183 GHz signal and reflect 118 GHz signal. The medium FSS based on multilayer metal structure was designed. The multilayer copper with square hole structure are inlayed in multilayer of Mylar, which dielectric constant is 3.0 and tangent loss is 0.001. The center frequency is about 183 GHz. The FFS has the performance of transmission to the wave with the frequency 175～191 GHz and reflection to the wave with the frequency 112～124 GHz. The effect of Mylar substrate thickness and metal layers on the transmission performance of FFS was analyzed by simulation through CST MWS software. The structure parameters were optimized. The results show that both of insert loss and reflect loss are lower than 0.3 dB for FFS designed in relative frequency band, and isolation is better than 22 dB at the frequency 118 GHz when Mylar thickness is 100 μm, copper is 8 layers, period is 306 μm, line width is 20 μm and metal thickness is 20 μm. All performances satisfy the design requirements.

millimeter wave; 183 GHz/118 GHz; Mylar; multilayer metallic microstructure; frequency selective surface (FSS); structure parameter; insertion loss; reflect loss; isolation

1006-1630(2017)04-0164-06

2016-09-12；

：2017-02-23

韦 黔(1991—)，男，硕士生，主要研究方向为频率选择表面仿真设计与MEMS加工。

TN802

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.020