赵 辉, 陈明生, 张 量, 张忠祥

(1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601; 2.合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)



一种新型十字单元结构的频率选择表面的设计

赵 辉1, 陈明生2, 张 量2, 张忠祥2

(1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601; 2.合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)

在传统十字单元的基础上,文章通过将十字单元中心替换为方环,并在每个十字末端加载一个方环,设计出了一种新型结构的频率选择表面(frequency selective surface,FSS)；使用HFSS仿真软件对改进结构和传统结构分别进行建模仿真,将2种结构的角度稳定性和极化稳定性进行了对比,证明了新型单元结构FSS比传统单元FSS具有更好的极化稳定性和角度稳定性；对加工出的实物在垂直入射的情况下进行测试,测试结果与仿真设计吻合较好。

频率选择表面(FSS);角度稳定性;极化稳定性

频率选择表面(frequency selective surface,FSS)是一种由周期性的二维阵列单元排列而成的结构[1-2],具有明显的滤波特性[3]，该滤波特性一般有带通(孔径型)和带阻(贴片型)2种情况。FSS在空间滤波器、极化器、雷达罩的雷达散射界面控制等微波领域中得到了广泛的应用[4-5]。

中心频率、中心频率处的透过率[4]、传输带宽[5]等是描述FSS频率响应特性的主要指标。FSS谐振单元的形状[6]、单元的排列方式[7]以及周围介质的电性能[8]等会对这些指标产生影响，此外,入射波的入射角度和极化方式也是影响该指标的2个重要因素。

传统的十字单元结构上具有很好的对称性,在电磁波正入射时具有较好的极化稳定性。但是当入射波入射角度发生改变时,由于极化方式的改变,谐振频率会产生很大的偏移量,极化稳定性变差;既使在相同极化方式的条件下,随着入射波入射角度的增加,谐振频率也会产生很大的偏移量,角度稳定性较差[9-10]。

本文在传统的十字单元结构FSS的基础上,提出了一种新型的FSS结构单元:将十字单元的中心处替换为方环,并在每个十字末端加载一个方环。这种改进的FSS单元结构在角度稳定性和极化稳定性方面都有明显的提高。为了进行对比分析,本文使用HFSS软件分别对新型的FSS结构单元和传统十字单元FFS结构进行建模仿真。

1 理论分析及结构尺寸

1.1 理论分析

当电场方向垂直带栅时,带栅呈容性,如图1a所示;当电场方向平行带栅时,带栅呈感性,如图1b所示。

图1 容性和感性带栅结构及其等效电路

由此可知,十字形阵列单元可以等效为LC串联谐振电路,如图2所示。

图2 十字单元结构及其等效电路

由传输线理论可知,金属贴片单元的电容和 电感的近似公式分别为:

(1)

(2)

其中,D、ω、S分别为结构电容和电感的长度、宽度以及间隔;εeff为介质层有效介电常数。谐振单元的谐振频率为:

(3)

结合(1)～(3)式,可以计算出十字单元结构的近似谐振频率。

1.2 结构尺寸

一般情况下,当偶极子单元的长度和入射电磁波频率半波长相等时,该单元组成的阵列结构将发生谐振现象[11],由此可以估计出结构尺寸。传统十字单元结构和本文在传统结构基础上改进的新型十字单元结构如图3所示。通过改进,新型十字单元结构可以增强频率选择表面的角度稳定性和极化稳定性。

传统十字单元结构尺寸为:贴片宽度w=0.5 mm,臂长L=19.2 mm,阵列周期Dx=Dy=20.0 mm。

新型十字单元结构尺寸为:贴片宽度w=0.5 mm,L=19.2 mm,L1=4.7 mm,a=4.0 mm,a1=3.0 mm,b=2.0 mm,b1=1.0 mm。

图3 传统和新型十字单元结构

2 仿真分析与结果比较

本文对传统十字单元结构和新型十字单元结构的传输特性进行了对比研究:① 在相同的极化方式(TE或者TM)下,分析了入射角度对FSS结构单元中心频率的影响;② 在入射角度相同时,分析了极化方式对FSS结构单元中心频率的影响。

2.1 不同入射角度对FSS中心频率的影响

在TE极化波入射角为0°、30°、60°条件下,传统十字单元FSS结构和新型十字单元FSS结构的中心频率与传输系数如图4所示。由图4可以看出,传统十字单元FSS结构的中心频率由4.5 GHz漂移至4.2 GHz,偏移量为0.3 GHz;新型十字单元FSS结构的中心频率由4.7 GHz漂移至4.6 GHz,偏移量为0.1 GHz。具体数据见表1所列。

图4 2种FSS结构在TE极化波不同入射角时的频率响应

表1 2种FSS结构TE波不同入射角度的中心频率

入射角度/(°)传统结构/GHz新型结构/GHz04.54.7304.34.7604.24.6

在TM极化波入射角为0°、30°、60°条件下,传统十字单元FSS结构和新型十字单元FSS结构的中心频率与传输系数如5所示。

由图5可以看出,传统十字单元FSS结构的中心频率由4.5 GHz漂移至5.1 GHz,偏移量为0.6 GHz;新型十字单元FSS结构的中心频率由4.7 GHz漂移至4.9 GHz,偏移量为0.2 GHz。具体数据见表2所列。

表2 2种FSS结构TM波不同入射角度的中心频率

综上可得，在相同极化方式的条件下,新型十字单元FSS结构比传统十字单元FSS结构具有更好的角度稳定性。

2.2 不同极化方式对FSS中心频率的影响

在入射角为60°时,TE和TM 2种极化方式下,传统十字单元FSS结构和新型十字单元FSS结构的中心频率与传输系数的关系如图6所示。由图6可以看出,传统结构的中心频率由4.3 GHz漂移至5.1 GHz,偏移量为0.8 GHz;新型结构的中心频率由4.6 GHz漂移至4.9 GHz,偏移量为0.3 GHz。

图6 2种FSS结构在入射角为60°时不同极化方式的频率响应

综上可得，在相同入射角度的条件下,新型十字单元FSS结构相比传统十字单元FSS结构具有更好的极化稳定性。

2.3 实物加工与测试

新型十字单元FSS的实物如图7所示,所使用的板材是厚度为1 mm的FR4,板子的大小为200 mm×200 mm,分布了20×20个周期阵列单元。

图7 新型十字单元FSS实物图

本文采用波导法对FSS进行测试,测试原理示意图如图8所示,将FSS置于2块矩形波导的中间,并使用矢量网络分析仪进行测量。新型十字单元在垂直入射条件下的测试与仿真结果如图9所示。由图9可知，虽然加工制造和测试时受到一些外界因素的影响,不可避免会有误差,但从图形上可以看出,测试与仿真结果基本吻合。

图8 FSS的测试原理示意图

图9 新型十字单元FSS垂直入射时的仿真与测试结果

3 结 论

本文在传统的十字单元结构的基础上,设计了一种新型FSS结构单元,并使用了相关软件对2种结构进行了建模仿真。对比仿真结果可知:在相同极化方式的条件下,新型十字单元FSS结构比传统十字单元FSS结构具有更好的角度稳定性;在相同入射角度的条件下,新型十字单元FSS结构比传统十字单元FSS结构具有更好的极化稳定性。

[1] 孙连春.频率选择表面技术在导弹电子战中的应用[J].电子对抗,2002(2):46-48.

[2] CHEN C C.Transmission of microwave though perforate flat plates of finite thickness[J].IEEE,1973,21(1):1-6.

[3] MUNK B A.Frequency selective surface theory and design [M].New York:Wiley,2000.

[4] 侯新宇.复杂介质加载FSS的特性分析及雷达罩应用研究[D].西安：西北工业大学,1997.

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[7] 吴兰,汪剑波,卢俊,等.排列方式对Y形单元厚屏频率选择表面传输特性的影响[J].长春理工大学学报(自然科学版),2013,36(6):116-119.

[8] 唐光明,苗俊刚,董金刚.一种介质-金属加载圆孔单元厚屏频率选择表面[J].物理学报,2012,61(6):68402-1-68402-6.

[9] 王良翼,欧阳骏,杨峰.新型单元的频率选择表面[J].遥控测量,2012,33(3):59-61.

[10] 贾宏燕,高劲松,冯晓国.新型单元的频率选择表面[J].光学精密工程,2008,16(11):2076-2080.

[11] 张桐,王晓鲁,李宛露,等.基于十字形的改进新型频率选择表面[J].微波学报,2010,26(增刊2)：29-32.

(责任编辑 胡亚敏)

Design of frequency selective surface of a new type of cross cell structure

ZHAO Hui1, CHEN Mingsheng2, ZHANG Liang2, ZHANG Zhongxiang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University， Hefei 230601, China; 2.School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China)

On the basis of traditional cross cell, a new structure of frequency selective surface(FSS) is designed by replacing the cross cell center with a square ring and loading a square ring at each end of the cross. The improved structure and the traditional structure are analyzed using HFSS simulation software, and the angle stability and polarization stability of the two kinds of structures is compared. It is found that the new FSS structure is better than the traditional one both in polarization stability and angle stability. Finally, the newly designed structure is manufactured and tested under vertical incidence, and the test result agrees well with the simulation result.

frequency selective surface(FSS); angle stability; polarization stability

2015-11-10；

2016-02-01

国家自然科学基金资助项目(51207041);安徽省高校重点资助项目(KJ2014A199)和安徽省科技计划资助项目(150102141)

赵 辉(1989-),男,安徽定远人,安徽大学硕士生; 陈明生(1981-),男,安徽合肥人,博士，合肥师范学院教授,博士生导师，通讯作者，E-mail:2299148@qq.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.013

TN820

A

1003-5060(2017)07-0926-04