一種可調(diào)超寬帶帶阻型頻率選擇表面

洪孝鵬,于春永,張得才

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

頻率選擇表面(FSS)通常是一種周期性二維結(jié)構(gòu)陣列,通過規(guī)律地排列金屬貼片或縫隙單元,在復(fù)雜的空間電磁環(huán)境中對入射的電磁波具備濾波作用[1]。這一特性使得FSS被廣泛地用于飛行器隱身以及多功能通信等,其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中不僅為雷達(dá)天線提供了收發(fā)信號的窗口,且作為一種具有一定強(qiáng)度的殼體結(jié)構(gòu),可以保護(hù)雷達(dá)天線乃至整個系統(tǒng)免受惡劣自然環(huán)境的影響,降低故障率的同時大大提高其使用壽命[2-3]。

為滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)寬帶化、小型化、多功能化、高集成度的需求,FSS正朝著多頻段、三維立體、有源、可重構(gòu)等方向發(fā)展。FSS的可重構(gòu)性意味著其諧振特性具備隨外部激勵變化而主動變化的能力,面對復(fù)雜電磁環(huán)境時其展現(xiàn)出的諧振捷變性較傳統(tǒng)FSS更具優(yōu)勢,在電磁通信、電磁兼容、電子對抗等領(lǐng)域具有重要的研究價值[4]。

本文設(shè)計的基于液晶材料的頻率可調(diào)FSS,其-10 dB阻帶帶寬超過5 GHz,-10 dB相對帶寬超過32%,調(diào)諧液晶材料的介電常數(shù)可使其獲得約7%的頻率可重構(gòu)能力。

1 可調(diào)帶阻型FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 單元結(jié)構(gòu)

本文提出的FSS單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,該單元由3層介質(zhì)基板以及2層金屬貼片組成,其中液晶材料充當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)可調(diào)介質(zhì)基板位于中間,介電常數(shù)調(diào)諧范圍為2.4～3.2。雙邊加載的Rogers RO4350(tm)介質(zhì)基板不僅能減小單元尺寸,還可以保護(hù)內(nèi)部金屬電路免受侵蝕,最終優(yōu)化得到的單元物理尺寸長、寬均為6.2 mm,金屬貼片上2對圓弧環(huán)的寬度均為0.3 mm。該單元具有尺寸小、剖面低、易加工的特點(diǎn)。

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 調(diào)諧原理

在有限大的FSS陣列設(shè)計中,環(huán)形結(jié)構(gòu)可以減小陣列周期,增強(qiáng)相鄰單元的耦合,從而降低諧振頻率,增加帶寬,且環(huán)形單元具有較好的角度穩(wěn)定性,因此本文基于圓環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的FSS,滿足雷達(dá)天線罩對FSS濾波的特性要求(寬頻帶、帶內(nèi)波紋小和矩形系數(shù)近似1)。本設(shè)計中圓環(huán)槽型貼片與網(wǎng)柵貼片共同作用,不僅起到感性表面與容性表面互耦的作用,使其濾波特性得到了顯著的提高;同時保持了較好的頻率穩(wěn)定性,還分別充當(dāng)液晶材料層的正負(fù)電極以施加偏置電壓。

FSS單元的等效電路可以看作是LC諧振電路,下面給出諧振電路的諧振頻率計算公式:

(1)

(2)

式中:f0即為諧振頻率的中心頻點(diǎn);L為電感;C為可調(diào)液晶材料層等效的可變電容。

公式(2)指出,電容值C正比于介電常數(shù)ε,若保持其他條件不變,可通過改變液晶介電常數(shù)ε來改變耦合電容值C。因此,當(dāng)液晶介電常數(shù)ε增大時,電容值C增大,對于整體的等效電路來說也增大了諧振電路的互耦電容值。由式(1)可知,諧振頻率的中心頻點(diǎn)相應(yīng)地變小,即頻帶向低頻方向移動。證明本文提出的液晶可調(diào)FSS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電調(diào)特性具有可行性。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 單元仿真結(jié)果及分析

對該單元進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2(a)所示,由結(jié)果可知,在Ku以及K頻段內(nèi),該FSS單元的中心諧振頻率是16.56 GHz,-10 dB阻帶帶寬為5.33 GHz,-10 dB相對帶寬約為32.2%。該單元阻帶邊緣十分陡峭,兩側(cè)帶外抑制均超過30 dB。

當(dāng)液晶介電常數(shù)從2.4連續(xù)變化到3.2時,FSS的諧振頻率會發(fā)生變化,由16.56 GHz持續(xù)向低頻移動到15.42 GHz,且不同液晶介電常數(shù)時的-10 dB阻帶帶寬保持穩(wěn)定。如圖2(b)所示,調(diào)諧帶寬達(dá)到1.14 GHz,調(diào)諧范圍超過7%,且在調(diào)諧過程中頻率響應(yīng)特性保持相對穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了較好的線性頻率可重構(gòu)特性。

圖2 FSS單元仿真結(jié)果

FSS單元對于電磁波的入射角度穩(wěn)定性仿真結(jié)果如圖3所示,隨著偏離法向入射波的角度越大(0°～60°),其中心諧振頻率越低,由16.56 GHz向低頻移至15.92 GHz,同時-10 dB阻帶帶寬逐漸增加,由5.33 GHz增加至7.16 GHz,但帶內(nèi)頻率響應(yīng)的整體趨勢不變,在大角度斜入射過程中依舊保持了阻帶的超寬帶特性。

圖3 不同角度斜入射時FSS單元仿真結(jié)果

2.2 陣列仿真結(jié)果及分析

將設(shè)計FSS單元組成8×8的陣列如圖4(a)所示,本文采用喇叭天線模擬電磁波的發(fā)射與接收,雙喇叭系統(tǒng)的傳輸與反射系數(shù)即可反映出該FSS的頻率選擇特性。調(diào)諧液晶材料層的介電常數(shù),使其獲得頻率可重構(gòu)特性,對該陣列進(jìn)行全波仿真如圖4(b)所示。

圖4 FSS陣列

仿真結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可知,在Ku頻段內(nèi),陣列的中心工作頻率是16.13 GHz,-10 dB阻帶帶寬超過7 GHz,-10 dB相對帶寬約為43%,阻帶兩側(cè)的通帶結(jié)果變差,其原因是通帶所在的頻段內(nèi)喇叭輻射特性較差,造成傳輸特性的下降。同時傳輸系數(shù)損耗約為5 dB,則是由發(fā)射和接收電磁波的矩形喇叭系統(tǒng)本身造成,對雙喇叭系統(tǒng)損耗仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 8×8FSS陣列仿真結(jié)果

圖6 喇叭系統(tǒng)仿真結(jié)果

當(dāng)液晶介電常數(shù)從2.4連續(xù)變化到3.2時,FSS陣列的諧振頻率會發(fā)生變化,由16.13 GHz持續(xù)向低頻移動到15 GHz,如圖5(b)所示,調(diào)諧帶寬達(dá)到1.13 GHz,調(diào)諧范圍約為7.3%,實(shí)現(xiàn)了FSS阻帶連續(xù)可調(diào)。在上述FSS陣列實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)的過程中,其阻帶帶寬均保持相對穩(wěn)定,具有較好的頻率穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文提出的基于圓環(huán)槽型結(jié)構(gòu)的超寬帶帶阻型FSS具有高頻率選擇性,且通過加載介電常數(shù)可調(diào)的液晶材料為介質(zhì)基板獲得了較高的調(diào)諧率。仿真結(jié)果表明,其-10 dB阻帶相對帶寬達(dá)到32%,同時液晶材料介電常數(shù)從2.4變化至3.2時能夠獲得超過1.14 GHz的調(diào)諧帶寬,相對調(diào)諧范圍超過7%。該FSS的陣列仿真結(jié)果與單元仿真結(jié)果具有較好的一致性。本文提出的可調(diào)FSS能在不改變單元物理結(jié)構(gòu)的同時獲得諧振頻率調(diào)諧特性,使FSS極大地適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境,是微波雷達(dá)天線罩的理想選擇。