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構進(jìn)行了仿真和實(shí)驗研究。通過(guò)仿真技術(shù)分別研究了臂長(cháng)、入射波角度及極化方式對其頻率響應特性的影響。實(shí)驗測試結果表明該結構對入射波極化方式的敏感性很低,并且在小于25°范圍內頻率響應特性非常穩定性。實(shí)驗和仿真得到了基本一致的結果。

　　頻率選擇表面( FSS ,Frequency Selective Surface)通常是一種二維周期性結構,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(diǎn)對多工器、相控陣雷達表面的濾波和現代通信系統中具有重要的應用價(jià)值。目前人們已經(jīng)提出并研究各種不同FSS 結構的傳輸特性,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(xiàn)性偶極子單元和正方形縫隙單元等。十字單元是比較簡(jiǎn)單的結構,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(shí),頻率響應會(huì )出現分支。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,但是該結構的對稱(chēng)性差。鑒于此,本文提出了類(lèi)似三個(gè)偶極子組合而成的高度對稱(chēng)的縫隙FSS 新型結構,進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗測試,研究了該結構的相關(guān)參數及不同入射方式對頻率響應特性的影響,發(fā)現該結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(guò)在金屬上構建周期性的結構形成。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周期結構是在理想平板導體上開(kāi)三個(gè)長(cháng)條形孔組合而成,每個(gè)長(cháng)條形槽孔之間的夾角為60°,其中a 為槽寬, b 為槽長(cháng)。

圖1 　FSS 結構示意圖

　　假定平面波以一定角度入射到FSS 結構上,根據電磁場(chǎng)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(cháng)度為入射波半波長(cháng)的整數倍時(shí),這個(gè)偶極子單元就會(huì )發(fā)生諧振,波將會(huì )反射回去。當許多這樣的線(xiàn)性偶極子按一定的方式組成陣列時(shí),所有的陣元將向某一個(gè)方向上定向輻射能量,就像發(fā)生全反射一樣,此時(shí)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(shí),某個(gè)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(gè)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(gè)共同的方向輻射能量,從而形成了諧振現象,當很多個(gè)偶極子組合時(shí),所有偶極子長(cháng)度之和等于半波長(cháng)的整數倍時(shí),就會(huì )發(fā)生諧振現象。根據Babinet’s 原理，結構互補則頻率響應也互補,圖1 所示FSS周期單元結構是金屬表面上開(kāi)鑿的縫隙結構,它同偶極子組合的互補結構,它的頻率響應和偶極子組合結構的頻率響應也互補,所以在平面波照射該FSS 結構時(shí),發(fā)生諧振的波就會(huì )從縫隙結構中透射過(guò)去,不發(fā)生諧振的波就會(huì )發(fā)生反射,從而實(shí)現頻率選擇,因而同偶極子組合結構的特性恰好相反。在設計中,為了抑制高次諧波分量,應盡量使槽長(cháng)等于半個(gè)波長(cháng)而非半個(gè)波長(cháng)的整數倍。

4、結論

　　本文對一個(gè)3 mm 波段頻率選擇表面濾波器的頻率響應特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗研究。通過(guò)仿真和實(shí)驗研究了FSS 結構單元的臂長(cháng)、入射波的極化方式及入射角度對頻率響應特性的影響。結果表明當入射波的入射角度在±25°范圍內該FSS 結構具有穩定的頻率響應特性,并且其頻率響應不隨入射波的極化方式發(fā)生改變。實(shí)驗測試表明由于襯底介質(zhì)損耗導致該FSS 結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。