一種新型雙通帶頻率選擇表面

（山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590）

近年來，無線通信技術快速發展，面對有限的頻譜資源，單頻通信設備越來越無法滿足苛刻的通信要求，雙頻和多頻通信成為研究熱點。新型人工電磁材料可以通過人為設計單元結構改變材料屬性從而獲得需要的電磁波傳輸特性[1]。頻率選擇表面(FSS)是由很多相同或相似單元周期性地在介質層上排列成的平面結構[2-3]，通常有貼片型和孔徑型兩種，可以對特定頻段的電磁波實現全反射或全透射，相當于空間濾波器[4-5]。人們對FSS的研究涵蓋了電磁波的微波、紅外、可見光等波段，使其無論在軍用還是民用領域都有廣泛應用，如空間濾波器、極化器、天線副反射面、雷達天線罩等[6-8]。

多頻FSS的實現通常有三種方法，一是在單層或多層介質上加載互補結構[9]，二是在同一金屬層上蝕刻不同尺寸的諧振單元從而獲得不同的諧振頻率[10]，三是借助分形理論構造自相似形狀實現多頻特性[11-12]。文獻[13]基于不同尺寸的單元結構設計了一種雙頻帶通 FSS，兩個通帶間隔很大，但通帶帶寬不夠理想。目前對于同時實現FSS的多頻性和寬頻特性的研究較鮮見。本文基于方環形縫隙及其互補結構設計了一種工作于X和Ku波段的雙頻帶通頻率選擇表面，具有較好的寬頻特性。

1 單元結構設計

在單層介質兩側加載互補結構是獲得雙頻 FSS的方法之一，而單層介質兩側分別加載方環形縫隙及其互補結構方環形貼片的方法得到的雙頻FSS具有帶寬窄、中心插損大等缺陷，考慮到具有高階特性的FSS可以較好地實現寬頻特性[14]，設計了兩層介質加載三層金屬貼片的雙頻 FSS，外側兩層為開方環形縫隙的金屬貼片，中間為方環形金屬貼片，為穩定高頻諧振區的傳輸特性，在外側兩層的方形金屬貼片上開了兩個圓孔。FSS的單元結構如圖 1所示。

圖1 FSS單元結構圖Fig.1 The unit structure diagrams of FSS

圖1中深色部分為金屬，介質材料為Rogers RT 5880 (tm)，相對介電常數為εr=2.2，介質損耗正切tanδ=0.0009。單元尺寸如表1所示。

表1 FSS的幾何參數Tab.1 The geometric parameters of FSS mm

2 傳輸特性分析

2.1 通帶性能

由三維高頻電磁仿真軟件 HFSS對設計的 FSS進行仿真分析。圖2給出了TE極化波垂直入射下FSS的S11和S12特性曲線。從圖中可以看出，該FSS共有三個極點，第一個位于X波段，為11.3 GHz，對應第一通帶，–3 dB通帶為10.4～11.95 GHz，帶寬1.55 GHz，相對帶寬13.87%；第二、三兩個極點位于Ku波段，為14.8 GHz和17.4 GHz，兩個極點的反射率均達到–30 dB以上，耦合形成一個較寬的第二通帶，–3 dB 通帶為 13.8～18.4 GHz，帶寬 4.6 GHz，相對帶寬28.57%，通帶內中心插損最大為–0.5 dB，帶外迅速下降到–20 dB以下。整體來看，該FSS通帶帶寬較大，中心插損較小且帶外抑制明顯。

圖2 TE波垂直入射時FSS的傳輸特性曲線Fig.2 The transmission characteristic curves of FSS with normal TE wave

2.2 角度穩定性

實際的工程應用中常常會遇到電磁波以不同角度斜入射的情況，這就要求所設計的FSS在電磁波斜入射時依然可以保持良好的傳輸特性，不出現大角度斜入射時性能急劇惡化的情況。圖3給出了TM波以0°，15°，30°和45°四個角度入射時FSS的S12特性曲線。從圖中可以看出，隨著TM波入射角度的增大，第一通帶逐漸向高頻方向偏移，當入射角度由 0°增大到 45°時，第一通帶的中心頻率偏移了0.3 GHz，–3 dB帶寬由1.9 GHz變為1.85 GHz，減小了0.05 GHz；第二通帶幾乎沒有偏移，–3 dB帶寬由4.5 GHz變為4.4 GHz，減小了0.1 GHz，帶內中心插損最大值由–0.53 dB變為–0.44 dB。整體來看，該FSS在TM波入射下具有很好的角度穩定性。

2.3 極化穩定性

由于FSS在幾何結構上有著良好的對稱性，因此對不同極化方式的入射波不具有敏感性。下面選取 TE和 TM 兩種常見極化波分別以 0°，15°，30°和45°四種角度入射的情況加以分析，相應的S12曲線如圖3和圖4所示。從圖4中可以看出，隨著TE波入射角度的增大，第一通帶的帶寬逐漸減小，當入射角度從0°增大到45°時，第一通帶的–3 dB帶寬由1.55 GHz變為1.07 GHz，減小了0.48 GHz；第二通帶的位置基本不變，–3 dB帶寬由4.6 GHz變為4.48 GHz，減小了0.12 GHz，通帶內的最大插損由–0.5 dB 變為–2.3 dB，下降較大。整體來看，對比TE極化波垂直入射時的傳輸特性，FSS在TE和TM極化波以不同角度入射下的傳輸特性變化不大，因此具有較好的極化穩定性。

圖3 不同角度TM波入射下FSS的傳輸特性曲線Fig. 3 The transmission characteristic curves of FSS withdifferent incident angles of TM waves

圖4 不同角度TE波入射下FSS的傳輸特性曲線Fig.4 The transmission characteristic curves of FSS with different incident angles of TE waves

3 結論

基于方環形縫隙及其互補結構設計了一種雙頻帶通頻率選擇表面，將單層介質兩側加載互補結構改為兩層介質加載三層結構，在保證了良好的角度穩定性和極化穩定性的同時實現了寬頻特性，兩個通帶的相對帶寬分別為13.87%和28.57%，第二通帶帶內平坦，整體帶外抑制明顯，以較為簡單的結構實現了較好的性能，具有一定的應用前景。

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