3毫米波段頻率選擇表面濾波器的研究

　　本文對3 毫米波段的帶通頻率選擇表面濾波器結(jié)構進行了仿真和實驗研究。通過仿真技術分別研究了臂長、入射波角度及極化方式對其頻率響應特性的影響。實驗測試結(jié)果表明該結(jié)構對入射波極化方式的敏感性很低,并且在小于25°范圍內(nèi)頻率響應特性非常穩(wěn)定性。實驗和仿真得到了基本一致的結(jié)果。

　　頻率選擇表面( FSS ,Frequency Selective Surface)通常是一種二維周期性結(jié)構,具有良好的頻率選擇特性,因此本文設計的這種新型FSS 具有的優(yōu)點對多工器、相控陣雷達表面的濾波和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有重要的應用價值。目前人們已經(jīng)提出并研究各種不同F(xiàn)SS 結(jié)構的傳輸特性,如方環(huán)形單元、圓環(huán)形單元、耶路撒冷十字單元、十字單元、線性偶極子單元和正方形縫隙單元等。十字單元是比較簡單的結(jié)構,它對入射角度的變化比較敏感,尤其是十字單元FSS 在TM 極化狀態(tài)下,入射角稍微偏離零度時,頻率響應會出現(xiàn)分支。耶路撒冷十字單元在TM極化狀態(tài)下,對入射角度的變化也很敏感,入射角度的稍微偏離將大大影響耶路撒冷十字單元的頻率響應特性,但是在TE 極化狀態(tài)下,耶路撒冷十字單元的頻率響應比較穩(wěn)定 。Y型單元對極化方式和入射角度變化的敏感程度較小,但是該結(jié)構的對稱性差。鑒于此,本文提出了類似三個偶極子組合而成的高度對稱的縫隙FSS 新型結(jié)構,進行了仿真分析和實驗測試,研究了該結(jié)構的相關參數(shù)及不同入射方式對頻率響應特性的影響,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構對入射角度和極化方式的變化敏感度較小,因而有效提高了FSS 單元響應特性。

1、物理模型

　　具有頻率選擇特性的FSS 通常是在金屬覆蓋的介質(zhì)上通過在金屬上構建周期性的結(jié)構形成。所提出的FSS 如圖1 所示。圖1 (a) 和圖1 (b) 分別顯示了FSS 的周期單元和陣列。在圖1 (a) 里顯示的FSS周期結(jié)構是在理想平板導體上開三個長條形孔組合而成,每個長條形槽孔之間的夾角為60°,其中a 為槽寬, b 為槽長。

圖1 　FSS 結(jié)構示意圖

　　假定平面波以一定角度入射到FSS 結(jié)構上,根據(jù)電磁場理論,對于偶極子單元組成的FSS ,在平面波照射下,如果偶極子單元的長度為入射波半波長的整數(shù)倍時,這個偶極子單元就會發(fā)生諧振,波將會反射回去。當許多這樣的線性偶極子按一定的方式組成陣列時,所有的陣元將向某一個方向上定向輻射能量,就像發(fā)生全反射一樣,此時反射的角度等于入射角度。這是因為在平面波照射到偶極子陣列時,某個偶極子上產(chǎn)生的感應電流與其臨近單元上偶極子產(chǎn)生的感應電流有一個固定的相位差,正是它的存在使得陣列中所有的偶極子單元朝一個共同的方向輻射能量,從而形成了諧振現(xiàn)象,當很多個偶極子組合時,所有偶極子長度之和等于半波長的整數(shù)倍時,就會發(fā)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)Babinet’s 原理，結(jié)構互補則頻率響應也互補,圖1 所示FSS周期單元結(jié)構是金屬表面上開鑿的縫隙結(jié)構,它同偶極子組合的互補結(jié)構,它的頻率響應和偶極子組合結(jié)構的頻率響應也互補,所以在平面波照射該FSS 結(jié)構時,發(fā)生諧振的波就會從縫隙結(jié)構中透射過去,不發(fā)生諧振的波就會發(fā)生反射,從而實現(xiàn)頻率選擇,因而同偶極子組合結(jié)構的特性恰好相反。在設計中,為了抑制高次諧波分量,應盡量使槽長等于半個波長而非半個波長的整數(shù)倍。

4、結(jié)論

　　本文對一個3 mm 波段頻率選擇表面濾波器的頻率響應特性進行了仿真和實驗研究。通過仿真和實驗研究了FSS 結(jié)構單元的臂長、入射波的極化方式及入射角度對頻率響應特性的影響。結(jié)果表明當入射波的入射角度在±25°范圍內(nèi)該FSS 結(jié)構具有穩(wěn)定的頻率響應特性,并且其頻率響應不隨入射波的極化方式發(fā)生改變。實驗測試表明由于襯底介質(zhì)損耗導致該FSS 結(jié)構具有一定的傳輸損耗,因此需選擇低損耗的介質(zhì)材料降低傳輸損耗。