一種新型寬帶微單元頻率選擇表面研究

馬曉宇，張勝輝，楊紅喬

（中國空間技術研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

一種新型寬帶微單元頻率選擇表面研究

馬曉宇，張勝輝，楊紅喬

（中國空間技術研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

提出一種寬頻帶、低插損的單元小型化頻率選擇表面（FSS）新型設計。在經典方環型頻率選擇表面單元基礎上進行設計，通過增加方環曲折縫隙的方法，在不增大單元面積的同時降低單元的諧振頻率，同時采用中心對稱結構降低頻率隨入射角度的改變增加角度穩定性以及極化穩定性。將這種新型頻率選擇表面單元與方環貼片型頻率選擇表面單元級聯，通過介質層的合理加載，設計出一個三層的頻率選擇表面，所實現的低頻段帶通特性帶內差損小、帶寬寬以及角度穩定性好。

頻率選擇表面；微單元；寬通帶；低插損

頻率選擇表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）的概念最早是由美國物理學家DavidRittenhouse在實驗中觀察到條柵將白色光分解成單色光后提出的［1］，之后Hertz和Tompson等人通過實驗對頻率選擇表面做了進一步解釋。頻率選擇表面是由大量的無源諧振單元組成的周期性陣列結構。這些無源諧振單元通常需要有襯底支撐，也有覆蓋層，在介質層上按二維周期性排列構成單層或多層準平面結構［2］。

頻率選擇表面作為一種二維周期性結構，簡單的講就是一種電磁濾波器，它能讓有用的電磁波通過，讓不想要的波反射掉，或者相反。頻率選擇表面所呈現的這種在開放空間的電磁波濾波器功能，使其在科學和工程等領域（特別是在國防軍工領域）具有很大的應用價值，一直是微波和天線學者們研究的一個重要方向［3］。

頻率選擇表面單元的形狀、尺寸、介質加載方式以及周期性的排列方式，都將影響頻率選擇表面的頻率響應特性。在實際工作頻率很低（L、S波段）的時候，頻率選擇表面的帶寬寬度、角度穩定性、極化穩定性以及單元尺寸等都是設計中的難點。文中提出一種新型頻率選擇表面單元結構，在傳統方環頻率選擇表面單元的基礎上，通過曲折縫隙結構設計了一種改進的頻率選擇表面單元。這種改進的頻率選擇表面單元在低頻段帶通特性的同時，與經典的方環單元相比兼具角度穩定性、極化穩定性以及尺寸小型化等優點。

1　理論分析

在對頻率選擇表面進行理論分析時，可以將整個頻率選擇表面作為傳輸線的一部分進行考慮從而得到頻率選擇表面的等效傳輸電路［4］，如圖1所示。其中C為頻率選擇表面周期單元的分布電容，L為分布電感，Y0為自由空間的特征阻抗。此時，頻率選擇表面的諧振頻率和帶寬分別為：

式中：f0為諧振頻率；Δf為3 dB帶寬。其中，分布電容C主要由頻率選擇表面內兩個分離的導電環之間耦合形成，電感L則由頻率選擇表面內的細導線產生。

圖1　頻率選擇表面的等效傳輸線電路圖Fig.1　The equivalent transmission line circuit diagram of FSS

由式（1）可知降低頻率選擇表面的諧振頻率的可行途徑是增大周期單元的分布電容或分布電感，而帶寬又與電感成正比，與電容成反比［5］。文中采用彎折電感層縫隙走線以增加其長度的方法來增大分布電感，如圖2所示。通常頻率選擇表面單元的周長決定了諧振頻率，一般單元的周長近似為一個波長大小［6］。本文設計的新型頻率選擇表面單元在大大減小單元面積的同時降低單元的諧振頻率（單元尺寸僅為波長的），從而在S頻段實現了微單元設計，同時采用中心對稱結構降低頻率隨入射角度的改變增加角度穩定性以及極化穩定性。

2　新型頻率選擇表面設計

圖2　小型化頻率選擇表面單元Fig.2　Miniaturized frequency selective surface element

基于上述方法，利用CST仿真軟件建立如圖3所示的三層頻率選擇表面，此三層結構的縱向結構關于電感層對稱，在電容層兩側分別加載厚度為0.6 mm的玻璃鋼層（h1= hc1=0.6 mm）電感層兩側加載厚度 0.2 mm的玻璃鋼層（h2= 0.2 mm），兩層玻璃鋼層之間是厚度為6 mm的泡沫層（h= 6 mm）其中電容層的線寬分別為0.7 mm與0.44 mm，電感層線寬0.1 mm。

圖3　三層頻率選擇表面Fig.3　Three-layer frequency selective surface

方環的邊長為4.6 mm，整個頻率選擇表面的尺寸為5 mm*5 mm，厚度為14.9 mm。玻璃鋼介電常數為3.2，泡沫介電常數為1.1。經仿真此頻率選擇表面在不同角度兩種極化方式下的傳輸特性結果如圖4所示。

圖4　頻率選擇表面的傳輸特性圖Fig.4　The transmission characteristics diagram of FSS

從仿真結果可以看出周期單元的尺寸僅為5 mm （僅為λ/24，λ為諧振頻率電磁波自由空間波長），頻率選擇表面的諧振頻率可達2.5 GHz，-1.5 dB帶寬可達2 GHz左右。在0～50度入射角情況下傳輸特性穩定，兩種極化特性穩定。

將設計的三層頻率選擇表面進行加工測試，測試結果如圖5所示。傳輸特性的測試結果和仿真結果基本一致，測試以及仿真結果證明，上述周期單元小型化頻率選擇表面的設計是完全可行的。

3　結束語

文中研究了一種基于經典方環的新型小型化頻率選擇表面單元。通過彎折電感層縫隙走線以增大電感層電感，在大大減小單元面積的同時降低單元的諧振頻率。在所設計的新型單元小型化頻率選擇表面單元的基礎上加載介質層，最終設計出一個具有良好入射角穩定性和極化穩定性的三層頻率選擇表面。由仿真結果可知，上述設計可以將頻率選擇表面的單元尺寸降低到諧振頻率電磁波自由空間波長的1/24，并且實現性能良好的低頻段寬帶寬的帶通型頻率選擇表面。

圖5　頻率選擇表面傳輸特性測試結果及仿真結果對比Fig.5　Comparison of simulation and test results for transmission coefficient of the designed FSS

［1］侯新宇.復雜介質加載頻率選擇表面的特性分析及雷達罩應用研究［D］.西安：西北工業大學，1997.

［2］Munk B A.Frequency Selective Surface：Theory and Design ［M］.NewYork：Wiley，2000.

［3］阮穎錚.雷達截面與隱身技術［M］.北京：國防工業出版社，1998.

［4］Langley R J，Parker E A.Equivalent circuit model for arrays of square loops［N］.Electronic Letters，1982，18（7）：294-296.

［5］Hosseinipanah M，Wu Qun.Exposrue reduction of S-band radar’s staff by designing a frequency selective surface［C］// ICMMT Proceedings，Nanjing，China，2008：456-457.

［6］王立超.頻率選擇表面設計與應用研究［D］.南京：南京理工大學，2012.

A novel miniaturized-element frequency selective surface with wide-bandwidth

MA Xiao-yu，ZHANG Sheng-hui，YANG Hong-qiao
（China Academy of Space Technology，Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100086，China）

This paper presents a new miniaturized Frequency Selective Surface（FSS）element with wide bandwidth and stable polarization and angular responses.By maneuvering the slot of a classic square ring type FSS，the resonant frequency of the element was greatly decreased.At the same time，the element exhibits excellent angular stability and polarization stability due to its center symmetric structure.Cascading the new element with square ring patch FSS elements loaded with dielectric layers，a three-layer-FSS was designed，which has an insertion loss less than 2dB in a bandwidth of 80%.

Frequency Selecive Surface（FSS）；miniaturized-element；angular stability；polarization stability

TN820.8

A

1674－6236（2016）03-0107-02

2015-03-15稿件編號：201503198

馬曉宇（1988—），女，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理、頻率選擇表面設計與應用。