一種新型二階雙頻帶通頻率選擇表面的設計

高春燕 蒲紅斌

摘 ?要：文章通過層疊三層周期性金屬陣列，提出了一種具有高選擇性的二階雙頻帶通頻率選擇表面結構。根據(jù)該FSS的結構建立了等效電路模型，該結構可以提供多個傳輸極點和傳輸零點。這些傳輸零點導致每個通帶兩側都有較寬的帶外抑制和快速的陡降。仿真采用CST軟件實現(xiàn)，兩個通帶的中心頻率分別為12.7GHz和17.4GHz，并且均有良好的頻率選擇特性，仿真結果表明該FSS模型擁有較高的角度穩(wěn)定性與極化穩(wěn)定性。

關鍵詞：頻率選擇表面;二階;雙頻

中圖分類號：TN914 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0032-03

Abstract： In this paper， a second-order， dual-band， band-pass frequency selective surface （FSS） with high selectivity is presented by cascading three-layers of periodic metallic arrays. An equivalent circuit model is developed based on the structure of this FSS， which can provide multiple transmission poles and transmission zeros. The simulation is implemented using full wave electromagnetic simulator CST Microwave Studio， the central fre-quencies of the two pass-bands are 12.7GHz and 17.4GHz. The simulation results show that the FSS model has high angle stability and polarization stability.

Keywords： frequency selective surface （FSS）; Second-order; dual band

1 概述

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface， FSS）通常是指周期單元結構通過某種排布組陣方式所組成的二維平面周期結構或三維曲面結構[1-2]。頻率選擇表面（FSS）已廣泛應用于各種系統(tǒng)，如天線反射器、空間濾波器、雷達、衛(wèi)星通信、人造磁導體以及電磁波段間隙材料等。為了滿足實際應用，作為一種空間濾波器，F(xiàn)SS在其工作頻段內對各種入射角和不同偏振都應具有穩(wěn)定的性能。隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，其工作頻段涵蓋微波和毫米波頻段或光波頻段。為了提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)中多頻天線的能力，需要采用具有獨立傳輸頻段的多頻段頻譜系統(tǒng)。

近年來，為了設計出具有多頻段性能的FSS，人們提出并利用了許多技術。分形結構具有自相似性特征，從而形成多波段的特性[3]。以及采用由不同尺寸的同心環(huán)組成的復合元件來設計多頻段FSS[4]，或者在不同層上利用圖案化的互補結構被用來設計雙頻或三頻FSS[5]，以期提供多個傳輸極點和零點。然而，對于上述這些設計，很難獲得高的帶內選擇性和寬的帶外抑制響應[6]。本文利用非諧振亞波長周期性結構[7]和互補結構設計[8]的思想，利用改進的柵格方環(huán)（GSL）[9]，提出了一種新型的雙頻FSS，由兩層帶通柵格雙方環(huán)（G-DSL）的二維周期陣列和一層金屬柵格陣列組成。提出的FSS結構的三個金屬層被兩個薄介質基板隔開，厚度為λ/16，其中λ是第一工作波段的波長，單位單元尺寸為λ/5。所提出的FSS的頻率響應對入射波不是很敏感，此外，由于其對稱結構，特別是在正常入射的情況下，其頻率響應對不同的極化也很穩(wěn)定。通過軟件仿真驗證了其良好的極化、角度穩(wěn)定性。

2 新型單元的設計

本文所提出的FSS的結構如圖1所示，深灰色區(qū)域代表電導率為σ=5.8×107S/m的銅，灰色區(qū)域表示F4B-2的介電基片，相對介電率為2.65，正切損耗為0.001。其中介質板大小為5.0mm×5.0mm，厚度H=0.1mm。通過調節(jié)所設計結構的各個參數(shù)數(shù)值可以調節(jié)諧振頻率和頻帶寬度。單元結構各參數(shù)如表1所示。

為了理解圖1所示的雙頻FSS的諧振原理，采用等效電路分析來描述其原理。一般來說，金屬柵格可以作為電感的模型，而方環(huán)可以作為并聯(lián)串聯(lián)LC電路的模型。因此，簡單的方環(huán)和金屬柵格陣列或它們的組合可以建立并聯(lián)或分流串聯(lián)LC電路的模型。圖1（d）中是所提出的結構的等效電路模型，該模型中包含兩個相同的混合諧振器和一個電感，由兩條短傳輸線隔開。每個諧振器由一個電感L1和兩個并聯(lián)的LC（L2-C2、L3-C3）電路組成。在這個等效電路中，三個電感L1代表三層金屬層圖案的柵格。L2-C2和L3-C3電路分別表示大尺寸方環(huán)和小尺寸方環(huán)，分兩層外部排列。支撐該結構的介質基板被認為是一條長度為h、波阻抗為Z=Z0/εr1/2的短傳輸線。FSS結構兩側的自由空間也被建模為一條特殊的阻抗為Z0=377Ω的傳輸線。從圖1（d）的右側可以明顯看出，當三個LC諧振子諧振時，在其諧振頻率處可以產(chǎn)生兩個傳輸極點和兩個傳輸零點。即電感L1電路在諧振頻率fp1處產(chǎn)生一個傳輸極點。兩個并聯(lián)組合L2-C2和L3-C3電路在頻率fz1和fz2 （fz1 < fz2）處分別產(chǎn)生兩個傳輸零點，可以形成諧振頻率為fp2 （fz1

3 模擬及分析

圖1所示的FSS的頻率響應采用全波電磁模擬CST實現(xiàn)。所提出的FSS在正常入射下的傳輸系數(shù)T和反射系數(shù)R如圖2所示。由此可以看出，有兩個傳輸通帶，分別位于11.8和16.8GHz中心。兩個通帶的-3dB帶寬分別為2.2GHz（10.7-12.9GHz）和1.6GHz（16.0-17.6GHz），相對帶寬分別為18.6%和9.5%。兩個通帶具有寬頻帶響應效果。此外，在兩個通帶之間，有兩個傳輸零點，分別位于14.3GHz和14.5GHz。其中一個傳輸零點導致靠近低通帶上側的響應快速下降，而另一個傳輸零點導致靠近高通帶下側的急劇抑制。該結果表明，在兩個所需的頻帶內，該結構在兩種模式下均有良好的頻率選擇特性。并且FSS結構對正入射TE波和TM波的頻率響應完全一致。可以看出所設計的FSS結構具有明顯的諧振現(xiàn)象和穩(wěn)定的頻率響應。