一种具有多通带特性超表面的设计

窦兴科

（中国电子长风科技有限责任公司 甘肃省兰州市 730070）

1 引言

随着信息化战争概念的兴起，信息的筛选、加密以及隐身技术越来越重要，使得具有频率选择功能的天线罩在军事上得到了广泛应用，不仅在一定角度域内对特定频率的电磁波具有选择特性，且同时还可以降低天线的雷达散射截面（RCS）。而现代卫星通信系统，电子对抗武器设备以及隐身技术的迅猛发展，对于具有多频段电磁性能的天线罩需求巨大，其能够在保证通信系统正常工作的同时，有效降低电子设备间的干扰及被敌方雷达探测的可能性，提高我军通信，电子系统间兼容与侦察能力。

频率选择技术[1-2]作为实现雷达隐身，电磁兼容及防护的关键手段之一，近年来已成为微波和天线学者们研究的热门话题。而具有可任意调控谱线特性的超构表面[3-5]可以实现更高性能的频率选择性能。超构表面是厚度远小于波长的人工结构按照一定序列排列的人工二维材料，具有极化，谱线，波前，电调等多种调控能力，是解决电子干扰，侦察及隐身的重要研究方向。

针对上述需求，东南大学罗国清将基片集成波导腔体应用在频段技术上、提出一种高性能双频结构，且具有带内平坦度与陡截止特性[6]。2015 年，国防科技大学提出了一种结合分形技术以及多层技术的具有低带内插损、宽带宽、良好陡降特性的新型结构 ，实现了相对带宽43.5%，25.1%，24.2%的宽频特性。2018 年，山东科技大学曹其栋等提出了一种互补三层双通带结构，在X 波段可以实现一阶通带，在 Ka 波段可以实现二阶通带，且带内平坦度高，陡截止性能好[7]。2015 年，中国电子科技集团38 研究所提出了一种新颖的具有较陡边带和较宽高阻带特性的四通带滤波器[8]，设计了在 GPS（1.57GHz）、DCS（1.8GHz）、WLAN（2.4GHz）、WiMAX（3.5GHz）频段的四通带滤波器，并通过了实验验证。在2017 年，电子科技大学设计一个新型的双通带和三通带的频选表面[9]，并研究了其在开关通断控制下的频率变化以及在可控基板材料下所呈现的频率可控性。但以上研究存在厚度厚，带宽窄及角度敏感等缺点。

图1

图2：垂直和水平极化下的谱线

为解决传统设计方案存在的弊端，本文基于三明治型夹层设计了一种工作于Ku 和Ka 波段的三通带超表面，具有较高通带特性，角度稳定性及宽频特性。从仿真结果可知，三通带相对带宽分别为15.9%，5.9%，4.8%，带内平坦及透波插损小，0°～60°的传输特性稳定，且具有轻薄，成本低及易加工等优势。

2 单元结构设计

图3：13 GHz 时的电场分布图

图4：21 GHz 时的电场分布图

单元结构如图1 所示，橙色部分为金属铜材质，厚度为0.035 mm，灰色部分为介质基板，厚度均为h，由介电常数为2.65，损耗正切 tan δ=0.002 的F4B-2 材料制成。红色部分为PMI 泡沫，厚度为h1，由介电常数1.15，正切损耗0.002 的材料制成，绿色部分为玻璃钢板材，介电常数为4，正切损耗0.01，厚度h2，保证整个结构的力学强度。从图中可以看出，该结构由三层金属贴片和两层介质基板组成，其中上层与下层金属贴片结构相同，由四角的十字型金属及中间的镂空十字型结构组成，提供三通带的共振体，如图1（b）所示，中间层金属贴片结构如图1（c）所示，由一个镂空的金属网格组成。

利用CST Microwave Studio 电磁仿真软件对上述结构进行近似全波仿真，对所设计结构做参数优化，使其满足双通带的设计要求。选择周期性边界条件进行模拟仿真。优化后的单元结构参数如下：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。

图5：31GHz 时的电场分布图

图6：大角度入射的透射谱线

3 仿真结果与分析

3.1 透波特性

图2 给出了该结构在入射波垂直入射的情况下，垂直极化和水平极化的频率响应曲线。由图可知，新型结构在Ku 和Ka 波段形成三个通带，其中第一个通带的透射谱线-1 dB 带宽2.1 GHz（12.1～14.2 GHz），第二个通带的透射谱线-1 dB 带宽1.4 GHz （19.8～21.2 GHz），第三个通带的透射谱线-1dB带宽3 GHz（29.5～32.5 GHz）。而且垂直极化与水平极化的频率相应曲线几乎一致，因此，三通带超表面结构具有良好的极化稳定性。同时，三个通带内波纹较小，传输平坦度高，通带与阻带的过滤区域具有良好的陡降特性。

3.2 场分布特性

图3 为结构在13.0 GHz 时上层、下层贴片与中间层贴片的电场分布图，从图中可以看出第一个通带的电流主要分布在上下层中间的复合式耶路撒冷型金属与中间层中心的圆形缝隙上，发生强耦合产生第一个通带。图4 为结构在21 GHz 时的电场分布图，从图中可以看出第二个通带的电流主要分布在上下层的四角上的十字型金属与中间层四角的圆形缝隙上，金属之间发生强耦合产生第二个通带。图5 为结构在31.0 GHz 时的电场分布图，从图中可以看出第三个通带的电场主要分布在上下层的中间十字型金属镂空部分与中间层中间的圆形缝隙上，由其耦合产生第三通带。

3.3 角度稳定性

在不同入射角下，三通带结构的频率响应曲线如图6 所示。从图中可以看出，随着入射角度的增加，第一通带的水平极化存在频移现象，中心频点往高频移动，带宽变化不明显，第二、三通带的中心点谐振点稳定，带宽略微减小，但角度的增加使得双通带的透波损耗增大。总体来看，在0°～60°入射角度内，新型结构的透波损耗趋于稳定。

4 结论

本文提出了一种新型的三通带超表面的设计方案。由仿真结果可知，在保证良好的高透波特性的同时，实现了角度稳定性和极化稳定性。从仿真结果可知，实现了第一通带12.1～14.2 GHz，相对带宽15.9%，第二通带19.8～21.2 GHz，相对带宽5.9%，第三通带29.5～32.5 GHz，相对带宽4.8%，并在0°～60°的具有稳定的传输特性。这种新型超表面在卫星通信，电子侦察及解决设备间电磁干扰方面具有较大的应用前景，且具有轻薄，成本低且易加工的优势。当然，缺陷在于该设计未通过实验验证。