（山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590）

近年来，无线通信技术快速发展，面对有限的频谱资源，单频通信设备越来越无法满足苛刻的通信要求，双频和多频通信成为研究热点。新型人工电磁材料可以通过人为设计单元结构改变材料属性从而获得需要的电磁波传输特性[1]。频率选择表面(FSS)是由很多相同或相似单元周期性地在介质层上排列成的平面结构[2-3]，通常有贴片型和孔径型两种，可以对特定频段的电磁波实现全反射或全透射，相当于空间滤波器[4-5]。人们对FSS的研究涵盖了电磁波的微波、红外、可见光等波段，使其无论在军用还是民用领域都有广泛应用，如空间滤波器、极化器、天线副反射面、雷达天线罩等[6-8]。

多频FSS的实现通常有三种方法，一是在单层或多层介质上加载互补结构[9]，二是在同一金属层上蚀刻不同尺寸的谐振单元从而获得不同的谐振频率[10]，三是借助分形理论构造自相似形状实现多频特性[11-12]。文献[13]基于不同尺寸的单元结构设计了一种双频带通 FSS，两个通带间隔很大，但通带带宽不够理想。目前对于同时实现FSS的多频性和宽频特性的研究较鲜见。本文基于方环形缝隙及其互补结构设计了一种工作于X和Ku波段的双频带通频率选择表面，具有较好的宽频特性。

1 单元结构设计

在单层介质两侧加载互补结构是获得双频 FSS的方法之一，而单层介质两侧分别加载方环形缝隙及其互补结构方环形贴片的方法得到的双频FSS具有带宽窄、中心插损大等缺陷，考虑到具有高阶特性的FSS可以较好地实现宽频特性[14]，设计了两层介质加载三层金属贴片的双频 FSS，外侧两层为开方环形缝隙的金属贴片，中间为方环形金属贴片，为稳定高频谐振区的传输特性，在外侧两层的方形金属贴片上开了两个圆孔。FSS的单元结构如图 1所示。

图1 FSS单元结构图Fig.1 The unit structure diagrams of FSS

图1中深色部分为金属，介质材料为Rogers RT 5880 (tm)，相对介电常数为εr=2.2，介质损耗正切tanδ=0.0009。单元尺寸如表1所示。

表1 FSS的几何参数Tab.1 The geometric parameters of FSS mm

2 传输特性分析

2.1 通带性能

由三维高频电磁仿真软件 HFSS对设计的 FSS进行仿真分析。图2给出了TE极化波垂直入射下FSS的S11和S12特性曲线。从图中可以看出，该FSS共有三个极点，第一个位于X波段，为11.3 GHz，对应第一通带，–3 dB通带为10.4～11.95 GHz，带宽1.55 GHz，相对带宽13.87%；第二、三两个极点位于Ku波段，为14.8 GHz和17.4 GHz，两个极点的反射率均达到–30 dB以上，耦合形成一个较宽的第二通带，–3 dB 通带为 13.8～18.4 GHz，带宽 4.6 GHz，相对带宽28.57%，通带内中心插损最大为–0.5 dB，带外迅速下降到–20 dB以下。整体来看，该FSS通带带宽较大，中心插损较小且带外抑制明显。

图2 TE波垂直入射时FSS的传输特性曲线Fig.2 The transmission characteristic curves of FSS with normal TE wave

2.2 角度稳定性

实际的工程应用中常常会遇到电磁波以不同角度斜入射的情况，这就要求所设计的FSS在电磁波斜入射时依然可以保持良好的传输特性，不出现大角度斜入射时性能急剧恶化的情况。图3给出了TM波以0°，15°，30°和45°四个角度入射时FSS的S12特性曲线。从图中可以看出，随着TM波入射角度的增大，第一通带逐渐向高频方向偏移，当入射角度由 0°增大到 45°时，第一通带的中心频率偏移了0.3 GHz，–3 dB带宽由1.9 GHz变为1.85 GHz，减小了0.05 GHz；第二通带几乎没有偏移，–3 dB带宽由4.5 GHz变为4.4 GHz，减小了0.1 GHz，带内中心插损最大值由–0.53 dB变为–0.44 dB。整体来看，该FSS在TM波入射下具有很好的角度稳定性。

2.3 极化稳定性

由于FSS在几何结构上有着良好的对称性，因此对不同极化方式的入射波不具有敏感性。下面选取 TE和 TM 两种常见极化波分别以 0°，15°，30°和45°四种角度入射的情况加以分析，相应的S12曲线如图3和图4所示。从图4中可以看出，随着TE波入射角度的增大，第一通带的带宽逐渐减小，当入射角度从0°增大到45°时，第一通带的–3 dB带宽由1.55 GHz变为1.07 GHz，减小了0.48 GHz；第二通带的位置基本不变，–3 dB带宽由4.6 GHz变为4.48 GHz，减小了0.12 GHz，通带内的最大插损由–0.5 dB 变为–2.3 dB，下降较大。整体来看，对比TE极化波垂直入射时的传输特性，FSS在TE和TM极化波以不同角度入射下的传输特性变化不大，因此具有较好的极化稳定性。

图3 不同角度TM波入射下FSS的传输特性曲线Fig. 3 The transmission characteristic curves of FSS withdifferent incident angles of TM waves

图4 不同角度TE波入射下FSS的传输特性曲线Fig.4 The transmission characteristic curves of FSS with different incident angles of TE waves

3 结论

基于方环形缝隙及其互补结构设计了一种双频带通频率选择表面，将单层介质两侧加载互补结构改为两层介质加载三层结构，在保证了良好的角度稳定性和极化稳定性的同时实现了宽频特性，两个通带的相对带宽分别为13.87%和28.57%，第二通带带内平坦，整体带外抑制明显，以较为简单的结构实现了较好的性能，具有一定的应用前景。

参考文献：

[1]贾宏燕, 李田泽. 开口圆环单元带通频率选择表面的仿真与测试 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(12): 77-80.

[2]MUNK B A. Frequency selective surface: theory and design [M]. New York: Wiley, 2000: 15-30.

[3]王立超. 频率选择表面设计与应用研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2012.

[4]肖卫东, 熊波. 一种小型频率选择表面结构设计方法[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(11): 137-140.

[5]尹柏林, 陈明生, 刘湘湘, 等. 基于方环形单元的新型频率选择表面设计 [J]. 微波学报, 2016, 32(1): 57-61.

[6]韩越. 频率选择表面特性及其应用的研究 [D]. 北京:北京理工大学, 2016.

[7]李成凯. 频率选择表面的宽带及多频技术研究 [D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014.

[8]赵辉, 陈明生. 一种新型十字单元结构的频率选择表面的设计[J]. 合肥工业大学学报, 2017, 40(7): 926-930.

[9]WU T K, LEE S W. Multiband frequency selective surface with multiring path elements [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 1994, 42(11): 1484-1490.

[10]WU T K. Four-band frequency selective surface with double square loop patch elements [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 1994, 42(12): 1659-1663.

[11]ROMEU J, RAHMAT-SAMII Y. Dual bandpass FSS with fractal elements [J]. IEEE Electron Lett, 1999, 35(9):702-703.

[12]吴瑞, 张厚, 许志勇, 等. 基于Y型频率选择表面的小型化设计 [J]. 微波学报, 2015, 31(2): 55-56.

[13]WANG H Q, SUN X, HE W, et al. The design of multi-bandpass FSS [J]. IEEE Comput Soc, 2015(6):1592-1593.

[14]李育清, 裴志斌. 具有宽频特性带通频率选择表面的设计 [J]. 电讯技术, 2012, 52(3): 371-372.