一种可调超宽带带阻型频率选择表面

洪孝鹏,于春永,张得才

(中国船舶集团有限公司第八研究院,江苏 扬州 225101)

0 引 言

频率选择表面(FSS)通常是一种周期性二维结构阵列,通过规律地排列金属贴片或缝隙单元,在复杂的空间电磁环境中对入射的电磁波具备滤波作用[1]。这一特性使得FSS被广泛地用于飞行器隐身以及多功能通信等,其在复杂的电磁环境中不仅为雷达天线提供了收发信号的窗口,且作为一种具有一定强度的壳体结构,可以保护雷达天线乃至整个系统免受恶劣自然环境的影响,降低故障率的同时大大提高其使用寿命[2-3]。

为满足现代通信系统宽带化、小型化、多功能化、高集成度的需求,FSS正朝着多频段、三维立体、有源、可重构等方向发展。FSS的可重构性意味着其谐振特性具备随外部激励变化而主动变化的能力,面对复杂电磁环境时其展现出的谐振捷变性较传统FSS更具优势,在电磁通信、电磁兼容、电子对抗等领域具有重要的研究价值[4]。

本文设计的基于液晶材料的频率可调FSS,其-10 dB阻带带宽超过5 GHz,-10 dB相对带宽超过32%,调谐液晶材料的介电常数可使其获得约7%的频率可重构能力。

1 可调带阻型FSS结构设计

1.1 单元结构

本文提出的FSS单元结构如图1所示,该单元由3层介质基板以及2层金属贴片组成,其中液晶材料充当的介电常数可调介质基板位于中间,介电常数调谐范围为2.4～3.2。双边加载的Rogers RO4350(tm)介质基板不仅能减小单元尺寸,还可以保护内部金属电路免受侵蚀,最终优化得到的单元物理尺寸长、宽均为6.2 mm,金属贴片上2对圆弧环的宽度均为0.3 mm。该单元具有尺寸小、剖面低、易加工的特点。

图1 单元结构示意图

1.2 调谐原理

在有限大的FSS阵列设计中,环形结构可以减小阵列周期,增强相邻单元的耦合,从而降低谐振频率,增加带宽,且环形单元具有较好的角度稳定性,因此本文基于圆环结构设计的FSS,满足雷达天线罩对FSS滤波的特性要求(宽频带、带内波纹小和矩形系数近似1)。本设计中圆环槽型贴片与网栅贴片共同作用,不仅起到感性表面与容性表面互耦的作用,使其滤波特性得到了显著的提高;同时保持了较好的频率稳定性,还分别充当液晶材料层的正负电极以施加偏置电压。

FSS单元的等效电路可以看作是LC谐振电路,下面给出谐振电路的谐振频率计算公式:

(1)

(2)

式中:f0即为谐振频率的中心频点;L为电感;C为可调液晶材料层等效的可变电容。

公式(2)指出,电容值C正比于介电常数ε,若保持其他条件不变,可通过改变液晶介电常数ε来改变耦合电容值C。因此,当液晶介电常数ε增大时,电容值C增大,对于整体的等效电路来说也增大了谐振电路的互耦电容值。由式(1)可知,谐振频率的中心频点相应地变小,即频带向低频方向移动。证明本文提出的液晶可调FSS结构实现电调特性具有可行性。

2 仿真结果分析

2.1 单元仿真结果及分析

对该单元进行仿真,结果如图2(a)所示,由结果可知,在Ku以及K频段内,该FSS单元的中心谐振频率是16.56 GHz,-10 dB阻带带宽为5.33 GHz,-10 dB相对带宽约为32.2%。该单元阻带边缘十分陡峭,两侧带外抑制均超过30 dB。

当液晶介电常数从2.4连续变化到3.2时,FSS的谐振频率会发生变化,由16.56 GHz持续向低频移动到15.42 GHz,且不同液晶介电常数时的-10 dB阻带带宽保持稳定。如图2(b)所示,调谐带宽达到1.14 GHz,调谐范围超过7%,且在调谐过程中频率响应特性保持相对稳定,实现了较好的线性频率可重构特性。

图2 FSS单元仿真结果

FSS单元对于电磁波的入射角度稳定性仿真结果如图3所示,随着偏离法向入射波的角度越大(0°～60°),其中心谐振频率越低,由16.56 GHz向低频移至15.92 GHz,同时-10 dB阻带带宽逐渐增加,由5.33 GHz增加至7.16 GHz,但带内频率响应的整体趋势不变,在大角度斜入射过程中依旧保持了阻带的超宽带特性。

图3 不同角度斜入射时FSS单元仿真结果

2.2 阵列仿真结果及分析

将设计FSS单元组成8×8的阵列如图4(a)所示,本文采用喇叭天线模拟电磁波的发射与接收,双喇叭系统的传输与反射系数即可反映出该FSS的频率选择特性。调谐液晶材料层的介电常数,使其获得频率可重构特性,对该阵列进行全波仿真如图4(b)所示。

图4 FSS阵列

仿真结果如图5所示。由仿真结果可知,在Ku频段内,阵列的中心工作频率是16.13 GHz,-10 dB阻带带宽超过7 GHz,-10 dB相对带宽约为43%,阻带两侧的通带结果变差,其原因是通带所在的频段内喇叭辐射特性较差,造成传输特性的下降。同时传输系数损耗约为5 dB,则是由发射和接收电磁波的矩形喇叭系统本身造成,对双喇叭系统损耗仿真结果如图6所示。

图5 8×8FSS阵列仿真结果

图6 喇叭系统仿真结果

当液晶介电常数从2.4连续变化到3.2时,FSS阵列的谐振频率会发生变化,由16.13 GHz持续向低频移动到15 GHz,如图5(b)所示,调谐带宽达到1.13 GHz,调谐范围约为7.3%,实现了FSS阻带连续可调。在上述FSS阵列实现频率可重构的过程中,其阻带带宽均保持相对稳定,具有较好的频率稳定性。

3 结束语

本文提出的基于圆环槽型结构的超宽带带阻型FSS具有高频率选择性,且通过加载介电常数可调的液晶材料为介质基板获得了较高的调谐率。仿真结果表明,其-10 dB阻带相对带宽达到32%,同时液晶材料介电常数从2.4变化至3.2时能够获得超过1.14 GHz的调谐带宽,相对调谐范围超过7%。该FSS的阵列仿真结果与单元仿真结果具有较好的一致性。本文提出的可调FSS能在不改变单元物理结构的同时获得谐振频率调谐特性,使FSS极大地适应复杂多变的电磁环境,是微波雷达天线罩的理想选择。