10/15GHz雙屏頻率選擇表面的分析與設(shè)計(jì)
1 引言
頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)是由金屬貼片或縫隙構(gòu)成的二維周期性陣列。它對(duì)不同頻率的電磁波有反射或透射特性。例如，縫隙單元的FSS顯高通特性，貼片單元的FSS顯低通特性。因此，可以選擇不同形式的單元來(lái)選取所需頻率的電磁波，即常說(shuō)的FSS具有空域?yàn)V波特性。由于具有如此特性，其應(yīng)用也受到了極大的關(guān)注。主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是用作副反射器，如圖1所示。置于拋物面焦點(diǎn)處的天線A工作于頻率fA，置于拋物面頂點(diǎn)處的天線B工作于頻率fB。FSS_1與FSS_2傳輸fA，反射fB。由于FSS_1與FSS_2傳輸fA，所以天線A與拋物面構(gòu)成工作在fA的拋物面天線。FSS_1與FSS_2反射fB，所以天線B與用作副反射器的FSS_1和用作擴(kuò)展拋物面口徑的FSS_2構(gòu)成工作在fB的卡塞格倫天線。由此可知，F(xiàn)SS為反射面，多頻工作提供了很好的解決方案，也為降低星載、機(jī)載天線的數(shù)量、重量和安裝空間提供了很好的解決途徑。二是用作天線罩。FSS天線罩能夠在不影響天線工作性能的前提下，降低了天線的雷達(dá)散射截面(RCS)，而且與傳統(tǒng)的吸收體相比，具有增加帶寬，減小吸收體厚度等優(yōu)點(diǎn)。
本文針對(duì)FSS在第一方面應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)電磁波的入射角和極化形式都不敏感，而且有較大帶寬和較小帶間間隔的雙屏頻率選擇表面。
圖1 用于副反射器的FSS
2 FSS的分析與設(shè)計(jì)
FSS的頻率響應(yīng)特性主要取決于單元形狀。各種常用結(jié)構(gòu)單元(如圖2所示)的詳細(xì)討論可見(jiàn)文獻(xiàn)[4-9]。它們之間的性能比較如表1所示。由表1可知，方環(huán)單元對(duì)電磁波的入射角不敏感、交叉極化電平低、帶寬寬，而且還能得到較小的帶間間隔。
圖2 FSS單元
表1 各種單元性能比較
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單元 |
入射角改變時(shí)，諧振頻率的穩(wěn)定性 |
交叉極 化電平 |
帶寬 |
最小帶 間間隔 |
|
方環(huán) |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
圓環(huán) |
1 |
2 |
1 |
1 |
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耶路撒冷 |
2 |
3 |
2 |
2 |
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偶極子 |
4 |
1 |
4 |
4 |
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交叉偶極子 |
3 |
3 |
3 |
3 |
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“叉”型 |
3 |
3 |
3 |
2 |
注：“1”表示最好，依次類(lèi)推
單元形式?jīng)Q定頻響特性，單元尺寸決定FSS的工作頻率。對(duì)于方環(huán)或圓環(huán)來(lái)說(shuō)，周長(zhǎng)為整數(shù)倍波長(zhǎng)時(shí)諧振。為了避免方向圖出現(xiàn)零點(diǎn)，方環(huán)或圓環(huán)的周長(zhǎng)一般取一個(gè)波長(zhǎng)。如果是印制在介質(zhì)板上，其周長(zhǎng)約為一個(gè)有效波長(zhǎng)。當(dāng)單元尺寸與諧振尺寸相差較大時(shí)，遠(yuǎn)離諧振頻率的電磁波會(huì)透過(guò)FSS;但會(huì)有一定的損耗，主要是由介質(zhì)、導(dǎo)體和散射產(chǎn)生的。
柵格的布陣方式及單元間距的大小主要影響柵瓣。二維FSS的柵格布陣方式一般有兩種，正方形布陣和三角形布陣(等腰或等邊三角形)。與陣列天線一樣，為了避免柵瓣的出現(xiàn)，F(xiàn)SS相鄰單元的間距在邊射方向(垂直)入射時(shí)應(yīng)小于一個(gè)波長(zhǎng)。表2列出了不同布陣方式時(shí)，未出現(xiàn)柵瓣的單元間距選取準(zhǔn)則。
實(shí)際的FSS需要介質(zhì)支撐，引入介質(zhì)會(huì)給FSS設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多好處。首先，介質(zhì)加載可以降低電磁波的入射角對(duì)諧振頻率的影響。其次，改變介質(zhì)厚度，可以調(diào)整諧振頻率。第三，介質(zhì)加載為多頻段FSS的設(shè)計(jì)提供了很好的解決途徑。第四，介質(zhì)加載可以減小單元尺寸，從而縮小FSS的尺寸。
表2 柵格布陣方式與單元間距
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布陣方式 |
最大間距 |
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屏數(shù)的多少也對(duì)FSS的性能產(chǎn)生很大的影響。單屏FSS在多數(shù)情況下很難滿(mǎn)足系統(tǒng)帶寬和損耗的要求，這時(shí)就需要多屏。考慮多屏的計(jì)算復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度，常采用雙屏。雙屏與單屏相比，帶寬較寬，諧振帶寬的邊緣截至明顯增強(qiáng)，而且還能消除單屏中的表面波現(xiàn)象，有利于提高傳輸和反射。
3 10/15GHz雙頻FSS
根據(jù)第二節(jié)所討論的，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)10GHz傳輸、15GHz反射的網(wǎng)柵方環(huán)單元的雙屏FSS。如圖3所示。采用網(wǎng)柵方環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠得到較小的帶間間隔(反射諧振頻率/傳輸諧振頻率=1.5~2)，而且在諧振頻率處對(duì)入射角和極化比較穩(wěn)定。由于該結(jié)構(gòu)在X與Y方向完全對(duì)稱(chēng)，因此具有良好的圓極化特性。方環(huán)的尺寸決定反射，其外周長(zhǎng)約為一個(gè)反射諧振波長(zhǎng)。柵格的尺寸決定傳輸，其內(nèi)周長(zhǎng)約為一個(gè)傳輸諧振波長(zhǎng)。FSS單元印制在Rogers RT/ Duroid 5880(tm)上，泡沫用來(lái)支撐兩個(gè)屏。[!--empirenews.page--]
圖3 10/15GHz雙屏FSS
FSS的測(cè)試結(jié)果如圖4、5、6所示。圖4清楚的表明了在不同模式下(TE/TM)，入射角對(duì)傳輸?shù)挠绊懞苄?，僅在大角度入射(>45°)，頻率輕微向高頻漂移。插入損耗小于1dB的傳輸帶寬約為3GHz，反射大于20dB的帶寬約為4GHz。圖5和6描述了TE/TM模式下，F(xiàn)SS對(duì)方向圖的影響。圖5和圖6的方向圖的變化，主要是因?yàn)镕SS在10GHz處的插入損耗造成的，但是方向圖未發(fā)生明顯的變化，僅是向下平移。在大角度處，方向圖也沒(méi)發(fā)生太大的變化。從而說(shuō)明，設(shè)計(jì)的10/15GHz的雙屏FSS具有良好的性能。
圖4 TE/TM模式時(shí)，不同入射角的傳輸
圖5 TE模式，F(xiàn)SS對(duì)方向圖的影響
圖6 TM模式，F(xiàn)SS對(duì)方向圖的影響
4 結(jié)論
本文詳細(xì)討論了FSS的設(shè)計(jì)思路和方法。完成了10/15GHz的雙屏FSS設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的FSS性能優(yōu)良。
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