基于六邊形雙環(huán)單元的雙通帶頻率選擇表面研究

井浩宇　施強　董士崔

摘? 要：? 頻率選擇表面是一種對入射電磁波有選擇透過性的空間濾波器，常被應(yīng)用于機載雷達天線罩設(shè)計及電磁脈沖防護領(lǐng)域。在實際的雷達系統(tǒng)中，系統(tǒng)所涉及的頻率往往不止一種，而且工作頻帶分布范圍也比較廣，因此本文提出了一種基于六邊形雙環(huán)單元結(jié)構(gòu)的雙通帶頻率選擇表面，它對X波段以及Ka波段的雷達信號具有選擇透過性，結(jié)構(gòu)上還具有小型化的優(yōu)點。通過CST STUDIO SUITE軟件對該結(jié)構(gòu)進行仿真，得到了較為優(yōu)良的性能，同時發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對于小角度入射的電磁波具有較好的入射角穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：? 頻率選擇表面（FSS）;雙通帶;入射角穩(wěn)定性

引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡稱FSS）是指呈二維周期性分布的金屬貼片或縫隙陣列，它能對入射波的頻率、入射角、極化方式進行選擇，常被稱為空間濾波器，被應(yīng)用于生活中的各個領(lǐng)域[1，2，3]。

在軍事領(lǐng)域，頻率選擇表面被廣泛應(yīng)用于機載雷達天線罩設(shè)計，它可對雷達工作頻段內(nèi)的信號選擇性透過，而其他信號不可通過，這大大縮減了系統(tǒng)的雷達散射截面積（Radar Cross Section，簡稱RCS），提高了系統(tǒng)的隱身性能，因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有重要的意義[4]。

在實際的雷達系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)所涉及的頻率不止一種，所需的工作頻段有可能分布在很廣的范圍內(nèi)，這就要求所設(shè)計的頻率選擇表面不止能對一個頻率范圍內(nèi)的信號具有選擇特性，因此多通帶FSS的設(shè)計也就成了必要。

然而，當所需的工作頻帶過多時也會產(chǎn)生一些問題。在對頻率選擇表面進行設(shè)計時，諧振單元的空間尺寸決定了工作頻帶，不同的工作頻段也就決定了需要多個不同尺寸的諧振單元，進而影響到單元尺寸的大小。以兩通帶相距較遠的情況為例，此時兩通帶對應(yīng)的工作波長差距較大，而頻率選擇表面穩(wěn)定濾波時需要其衍射邊沿波長小于工作波長，這就使得兩種工作波長對應(yīng)的單元周期大小不同[5]。又根據(jù)頻率選擇表面的柵瓣出現(xiàn)條件[6，7]可知，影響柵瓣出現(xiàn)的關(guān)鍵因素在于單元之間的周期間隔，因此不同通帶對于抑制柵瓣的要求也不同。此外，由于頻帶相距較遠，一階單元產(chǎn)生的高階諧振模式可能出現(xiàn)在二階單元的主諧振模式附近，導(dǎo)致模式互作用零點的出現(xiàn)，對FSS的濾波特性造成不必要的影響[8]，在實際設(shè)計中要充分考慮這些因素。

針對以上幾個問題，本文提出了一種基于六邊形雙環(huán)單元結(jié)構(gòu)的在X波段和Ka波段具有選擇特性的頻率選擇表面，兩個通帶的中心頻率分別為9.4GHz和37.6GHz，兩通帶之間間距較遠，具有大約四倍的差頻，對應(yīng)的工作波長也差距較大。本文通過CST STUDIO SUITE軟件對該結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化，很好地克服了以上所提出的問題。

六邊形雙環(huán)單元結(jié)構(gòu)

頻率選擇表面的諧振頻率受限于其單元的空間尺寸，對于兩種相距較遠的通帶，為同時滿足兩種波長對于單元周期的不同要求，需要盡量在小的周期范圍內(nèi)獲得較大的諧振工作波長，這就要求我們選擇諧振電尺寸較大的單元圖形，如方形、圓形、六邊形等[9，10]。此外，根據(jù)柵瓣出現(xiàn)條件可知，影響柵瓣的主要因素為FSS結(jié)構(gòu)的單元間隔，為使柵瓣盡量遠離所設(shè)計的通帶，應(yīng)盡量縮小單元周期，為此想到采用六邊形單元結(jié)構(gòu)[11]，這種結(jié)構(gòu)單元之間排布更為緊湊，大大提高了金屬表面利用率，縮減了周期間隔，有利于抑制柵瓣的出現(xiàn)。此外，為提高FSS的入射角穩(wěn)定性，這里采用雙邊加載介質(zhì)的方式，這不僅有利于提高結(jié)構(gòu)的入射角穩(wěn)定性，還可以令諧振頻率向低頻方向移動，有利于結(jié)構(gòu)的小型化[]。

所設(shè)計的六邊形雙環(huán)單元結(jié)構(gòu)頻率選擇表面如圖1所示，通過在金屬導(dǎo)體層周期性刻蝕六邊形雙環(huán)縫隙得到，其中深色部分為金屬，淺色部分為縫隙。單元結(jié)構(gòu)及側(cè)視圖如圖2（a）（b）所示。具體參數(shù)在表1中列出。六邊形環(huán)的長度為諧振頻率對應(yīng)工作波長的整數(shù)倍，即

f= 1/（√（μ_0 ε_0 ε_r ）×L）

其中L為縫隙周長，ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

仿真結(jié)果

通過CST STUDIO SUITE電磁仿真軟件對該結(jié)構(gòu)在垂直入射TE波的情況進行仿真，得到傳輸曲線及反射曲線如圖3和圖4所示。

通過FSS的反射及傳輸曲線能夠觀察到，該周期結(jié)構(gòu)在9.4GHz及37.6GHz處諧振，在兩個頻點附近的一定頻率寬度內(nèi)具有帶通性能。反射曲線在兩諧振頻點處最低衰減均可到達-55dB。傳輸曲線在9.4GHz附近的-0.5dB帶寬約為3GHz，-3dB帶寬約為9GHz，在37.6GHz附近的-0.5dB帶寬約為2GHz，-3dB帶寬約為5.5GHz。從整個傳輸曲線來看，沒有發(fā)現(xiàn)柵瓣或是其他雜波的出現(xiàn)，主要是由于單元之間排布較為緊湊，大大縮減了周期間隔，柵瓣出現(xiàn)的最低頻率距離傳輸帶較遠，因此整個傳輸曲線的雙通帶特性較好?？傮w來看，當電磁波垂直入射時，該結(jié)構(gòu)對入射電磁波的頻率有著良好的選擇特性，達到了較好的帶通特性。

改變?nèi)肷洳ㄈ肷浣嵌?，可以看出，?0°以下該頻率選擇表面在兩個頻點處的傳輸特性都基本保持不變，當入射角繼續(xù)增大時，9.4GHz處的傳輸性能依然維持不變，37.6GHz處諧振點位置向著低頻方向發(fā)生較大偏離。此外，隨著入射角度的增大，傳輸曲線中也出現(xiàn)了一些其他頻率的雜波，一方面是由于高次諧波的出現(xiàn)使得不同模式波之間生成模式互作用零點，干擾了通帶的選頻性能;另一方面是因為入射角的的增大使得柵瓣出現(xiàn)的最低頻率向低頻方向發(fā)生偏移，逐漸向高頻通帶移動，影響通帶性能?？偟膩碚f，該FSS結(jié)構(gòu)對于10°以下角度入射的電磁波在兩個通帶處都能保持良好的入射角穩(wěn)定性。

此外，圖5（a）（b）分別為該周期結(jié)構(gòu)在9.4GHz與37.6GHz處的電場幅度空間分布圖?？梢钥闯觯?.4GHz處，電場大體存在于外環(huán)附近，由外環(huán)諧振生成;在37.6GHz處，電場大體存在于內(nèi)環(huán)附近，由內(nèi)環(huán)諧振生成，這與理論分析相一致。

結(jié)論

本文對一種六邊形雙環(huán)單元結(jié)構(gòu)FSS的特性進行了研究，設(shè)計了一種在X波段和Ka波段具有帶通特性的雙通帶頻率選擇表面，兩個通帶的中心頻率分別為9.4GHz和37.6GHz。

通過CST STUDIO SUITE電磁仿真軟件對該結(jié)構(gòu)進行建模仿真，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的FSS在兩個通帶達到了預(yù)定的指標，傳輸性能較好且沒有柵瓣的出現(xiàn)，而且對于10°以下入射的電磁波具有較好的入射角穩(wěn)定性。此外，該結(jié)構(gòu)具有加工方便和小型化的優(yōu)點，具有較強的實用價值。

參考文獻

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