3毫米波段频率选择表面滤波器的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:陈德亚

  本文对3 毫米波段的带通频率选择表面滤波器结构进行了仿真和实验研究。通过仿真技术分别研究了臂长、入射波角度及极化方式对其频率响应特性的影响。实验测试结果表明该结构对入射波极化方式的敏感性很低,并且在小于25°范围内频率响应特性非常稳定性。实验和仿真得到了基本一致的结果。

  频率选择表面( FSS ,Frequency Selective Surface)通常是一种二维周期性结构,具有良好的频率选择特性,因此本文设计的这种新型FSS 具有的优点对多工器、相控阵雷达表面的滤波和现代通信系统中具有重要的应用价值。目前人们已经提出并研究各种不同FSS 结构的传输特性,如方环形单元、圆环形单元、耶路撒冷十字单元、十字单元、线性偶极子单元和正方形缝隙单元等。十字单元是比较简单的结构,它对入射角度的变化比较敏感,尤其是十字单元FSS 在TM 极化状态下,入射角稍微偏离零度时,频率响应会出现分支。耶路撒冷十字单元在TM极化状态下,对入射角度的变化也很敏感,入射角度的稍微偏离将大大影响耶路撒冷十字单元的频率响应特性,但是在TE 极化状态下,耶路撒冷十字单元的频率响应比较稳定 。Y型单元对极化方式和入射角度变化的敏感程度较小,但是该结构的对称性差。鉴于此,本文提出了类似三个偶极子组合而成的高度对称的缝隙FSS 新型结构,进行了仿真分析和实验测试,研究了该结构的相关参数及不同入射方式对频率响应特性的影响,发现该结构对入射角度和极化方式的变化敏感度较小,因而有效提高了FSS 单元响应特性。

1、物理模型

  具有频率选择特性的FSS 通常是在金属覆盖的介质上通过在金属上构建周期性的结构形成。所提出的FSS 如图1 所示。图1 (a) 和图1 (b) 分别显示了FSS 的周期单元和阵列。在图1 (a) 里显示的FSS周期结构是在理想平板导体上开三个长条形孔组合而成,每个长条形槽孔之间的夹角为60°,其中a 为槽宽, b 为槽长。

FSS结构示意图

图1  FSS 结构示意图

  假定平面波以一定角度入射到FSS 结构上,根据电磁场理论,对于偶极子单元组成的FSS ,在平面波照射下,如果偶极子单元的长度为入射波半波长的整数倍时,这个偶极子单元就会发生谐振,波将会反射回去。当许多这样的线性偶极子按一定的方式组成阵列时,所有的阵元将向某一个方向上定向辐射能量,就像发生全反射一样,此时反射的角度等于入射角度。这是因为在平面波照射到偶极子阵列时,某个偶极子上产生的感应电流与其临近单元上偶极子产生的感应电流有一个固定的相位差,正是它的存在使得阵列中所有的偶极子单元朝一个共同的方向辐射能量,从而形成了谐振现象,当很多个偶极子组合时,所有偶极子长度之和等于半波长的整数倍时,就会发生谐振现象。根据Babinet’s 原理,结构互补则频率响应也互补,图1 所示FSS周期单元结构是金属表面上开凿的缝隙结构,它同偶极子组合的互补结构,它的频率响应和偶极子组合结构的频率响应也互补,所以在平面波照射该FSS 结构时,发生谐振的波就会从缝隙结构中透射过去,不发生谐振的波就会发生反射,从而实现频率选择,因而同偶极子组合结构的特性恰好相反。在设计中,为了抑制高次谐波分量,应尽量使槽长等于半个波长而非半个波长的整数倍。

4、结论

  本文对一个3 mm 波段频率选择表面滤波器的频率响应特性进行了仿真和实验研究。通过仿真和实验研究了FSS 结构单元的臂长、入射波的极化方式及入射角度对频率响应特性的影响。结果表明当入射波的入射角度在±25°范围内该FSS 结构具有稳定的频率响应特性,并且其频率响应不随入射波的极化方式发生改变。实验测试表明由于衬底介质损耗导致该FSS 结构具有一定的传输损耗,因此需选择低损耗的介质材料降低传输损耗。

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