基于HFSS雙頻帶通型頻率選擇表面的研究

韓丹楓

（長治學(xué)院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

隨著雷達(dá)系統(tǒng)和天線系統(tǒng)的發(fā)展，特別軍事上對雷達(dá)系統(tǒng)隱形的要求越來越高，對天線系統(tǒng)對外界電磁干擾和天線本身的保護(hù)，頻率選擇表面（Frequency Selective Surface即FSS）設(shè)備變得越來越重要。FSS是一種周期結(jié)構(gòu)，通常由單層或多層金屬貼片與介質(zhì)構(gòu)成，對特定頻率的電磁波具有過濾篩選作用，此外還有對設(shè)備本身具有保護(hù)作用，如防止雨水沖洗和腐蝕等。FSS是一般認(rèn)為是一種無限周期結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行電磁建模求解較難，但是，F(xiàn)loquet定理指出了周期結(jié)構(gòu)電磁場的特性，使得其求解變?nèi)菀住Ｎ恼禄谌S電磁仿真軟件HFSS的Floquet端口激勵周期邊界條件，對FSS的結(jié)構(gòu)與其電磁特性進(jìn)行了研究，最后設(shè)計了一種可以同時工作于C（中心頻率為6GHz）波段和X（中心頻率為10GHz）波段的 FSS。

1 基本理論

FSS本質(zhì)是一種在電磁空間上的濾波器，其類型與濾波器基本相同，一般分為帶通、帶阻、高通、低通等類型，通常采用較多的是帶通和帶阻型兩種。本文主要研究帶通型FSS，故以帶通型FSS為例，進(jìn)行相關(guān)研究和說明，如圖1為最簡單的帶通FSS。

圖1 FSS單元模型圖

FSS的主要參數(shù)與濾波器相同其中重要的參數(shù)有S11和S21，S11表示入射波的反射系數(shù)，S21表示傳輸系數(shù)[1]，其定義如下：

圖1所示為FSS的一個單元，影響其主要特性的是鏤空單元的長度L，寬度W主要影響帶寬，此外介質(zhì)不僅僅起到固定保護(hù)的作用，同樣對于FSS的特性也是很重要，主要影響諧振波的波長。

而FSS鏤空單元的長度一般約為二分之一諧振波長，即：

整個單元可以是長方形底面，也可以是正方形底面，便于研究，本文為正方形底面，其尺寸由經(jīng)驗公式給出：

因為入射波表征的電壓Vi比傳輸過去的電壓Vt和反射回去的電壓Vr都大，所以S21和S11都是負(fù)數(shù)。當(dāng)S21越接近0 dB的時候，表示傳輸過去的信號越多，當(dāng)S11越接近0 dB的時候表示反射的信號越多。

基于一字帶通型FSS對孔徑長寬影響仿真分析，結(jié)果如下：

（1）對單元長度仿真分析

圖2 單元長度的影響

表1 單元長度和對應(yīng)的中心頻率及帶寬

通過仿真結(jié)果可知，一字單元長度影響的諧振心頻率，長度越長，諧振越低，與波長和諧振頻率成負(fù)相關(guān)的特點(diǎn)相吻合。

從帶寬上來看，單元的長度對諧振點(diǎn)的帶寬稍微有點(diǎn)影響，長度越小，帶寬越大，帶寬的特性與諧振頻率成正相關(guān)的特性。

（2）對單元寬度仿真分析

圖3 單元寬度的影響

表2 單元寬度和對應(yīng)的中心頻率及帶寬

由結(jié)果可以看出來，一字單元的寬度對諧振的中心頻率并沒有影響，它主要是影響FSS的帶寬。當(dāng)寬度越小的時候，3dB帶寬越小，寬度變大諧振的帶寬也變大。這主要是寬度越大能量透射去的也越多，所以衰減對應(yīng)越小。

2 建模與結(jié)果分析

文章旨在一種工作于C波段和X波段的雙頻帶通FSS，帶通濾波器的特性，利用帶通濾波器串聯(lián)的特性，可以實現(xiàn)雙頻，對照四邊形環(huán)[2][3]。文章采用雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)行HFSS建模仿真，利用HFSS自帶的優(yōu)化工具優(yōu)化。雙環(huán)FSS單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 FSS單元結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)

從圖4可以看出，在6 GHz和10 GHz處，S11位40 dB以下，說明在這兩個頻點(diǎn)附近，電磁波幾乎可以完全通過，反射很小。且兩個中心頻點(diǎn)附近，10 dB以下的帶寬都有1 GHz左右，能夠起到對雷達(dá)的保護(hù)作用，并且能夠過濾其他波段的干擾。

圖5 HFSS仿真結(jié)果圖

3 總結(jié)

文章基于HFSS仿真軟件，對FSS單元結(jié)構(gòu)對帶通特性進(jìn)行了研究，通過仿真發(fā)現(xiàn)，單元長度主要影響諧振的中心頻率，單元或者開槽的寬度，影響帶通寬度。最后利用無極性的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種可以同時工作于C波段和X波段的FSS，通過仿真和優(yōu)化，最終確定FSS單元的參數(shù)。