電容加載對頻率選擇表面?zhèn)鬏斕匦缘挠绊?/h1>
2015-12-20 01:10:02金開濤
電子科技 2015年3期
金開濤，廖 斌
(華東師范大學(xué)信息學(xué)院通信工程系，上海 200241)
所謂頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces，F(xiàn)SS)就是以二維周期性排列形成的金屬屏上縫隙單元或金屬貼片所組成的［1］。其是通過介質(zhì)的覆蓋和支撐，最大特點(diǎn)是以呈現(xiàn)不同的濾波特性，在不同入射角、不同極化狀態(tài)下及不同頻率時，有效控制電磁波的反射與傳輸［2］。因此，在信息化社會，頻率選擇表面具有廣闊的應(yīng)用前景。
國外對頻率選擇表面(FSS)的研究開展于上世紀(jì)60年代，對于無源FSS的研究也已較為穩(wěn)定，但是以對無源FSS的了解得知，其結(jié)構(gòu)決定了諧振頻率和帶寬等特性，因此不能隨著外界的影響而產(chǎn)生相應(yīng)變化，繼而在無源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了相對可行的有源FSS結(jié)構(gòu)(AFSS)［2－4］。有源結(jié)構(gòu)就是將 PIN 二極管或變?nèi)荻O管加在FSS中構(gòu)成的FSS結(jié)構(gòu)，通過有源器件的可調(diào)性來實(shí)現(xiàn)對FSS性能的控制［5］。有源FSS將被動變?yōu)橹鲃樱趯?shí)際的應(yīng)用中，實(shí)用性將大幅提高。
本文基于有源器件可等效為電容的原理，研究了電容加載對方形縫隙型FSS傳輸特性的影響，并給出了仿真曲線及變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對頻率選擇的可控性。
1 理論基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 濾波機(jī)理
首先可進(jìn)行一個假設(shè)，即當(dāng)射到貼片型頻率選擇表面時的電磁波是從左向右進(jìn)行入射的。則此時的金屬表面上就會形成相對應(yīng)的感應(yīng)電流，原因是在平行于貼片方向的電場對電子產(chǎn)生了一定的作用，從而使其產(chǎn)生震蕩。然而此時的入射電磁波有一部分能量通過金屬絲傳播，另一部分能量轉(zhuǎn)化為維持電子震蕩時所需的動能［6］。換句話說，根據(jù)對能量守恒定律的分析，可知電子吸收了維持電子運(yùn)動的能量。然而，在一特定的頻率下，電子的震蕩將所有入射電磁波能量均轉(zhuǎn)移到了自身，此時就產(chǎn)生了一種現(xiàn)象，即投射系數(shù)為零［7］，原因是電子產(chǎn)生的附加散射場將金屬導(dǎo)線右側(cè)電磁波的出射場相互抵消。這時也通過電子所產(chǎn)生的附加場同時向金屬導(dǎo)線左側(cè)傳播從而形成發(fā)射場。還有一種現(xiàn)象是諧振現(xiàn)象，此時的頻率點(diǎn)也就是諧振點(diǎn)［8］。此時的貼片型頻率選擇表面也就形成了相應(yīng)的反射面。然而還有一種情況是必須考慮的，即當(dāng)諧振頻率與入射波的頻率不一致時，這時大部分的能量就被傳播到了貼片的右側(cè)，所以就有較少一部分的能量是用來供電子做加速運(yùn)動的。這時的貼片對于電磁波而言完全是“透明”的，因電磁波完全可通過貼片全部傳播［9］。而此時的投射面也就成了貼片型頻率的選擇表面。一般情況下，貼片類型是帶阻型濾波器。
1.2 FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與等效電路
如圖1所示，本文設(shè)計(jì)了一款方形縫隙FSS結(jié)構(gòu)。在這款方形結(jié)構(gòu)中，金屬單元印刷在介質(zhì)層上，結(jié)構(gòu)參數(shù)為外方環(huán)外邊長L=20 mm，外方環(huán)內(nèi)邊長 W=16 mm，內(nèi)正方形的邊長D=12.25 mm;介質(zhì)的介電常數(shù)ε=3.3，介質(zhì)厚度h=1 mm。
圖1 無加載方形縫隙FSS結(jié)構(gòu)示意圖
其等效電路如圖2所示，這是一種LC并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)［10］。
圖2 無加載方形縫隙FSS等效電路圖
當(dāng)電磁波從不同仰角入射到該模型的FSS上時，其衰減如圖3所示?？煽吹皆摻Y(jié)構(gòu)的FSS在5.4～6 GHz頻帶濾波明顯。
圖3 無加載方形縫隙FSS傳輸特性
1.3 AFSS結(jié)構(gòu)建立與等效電路
當(dāng)電磁波TE波垂直入射時，在上述方形縫隙型FSS結(jié)構(gòu)上加入變?nèi)荻O管［11］，如圖4所示?？赏ㄟ^改變電壓來改變變?nèi)荻O管的容值。由此便建立了有源的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。
圖4 加載電容后的AFSS結(jié)構(gòu)
其等效電路如圖 5所示。其中，C'為 C1、C2、C3、C4的并聯(lián)，其電容值為C'=C1+C2+C3+C4?？煽闯觯摻Y(jié)構(gòu)依然是LC并聯(lián)的諧振電路。因此，可通過改變C'的容值來改變整個結(jié)構(gòu)的諧振頻率。
圖5 加載電容后AFSS結(jié)構(gòu)的等效電路
2 AFSS模型建立與仿真
2.1 AFSS仿真模型
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在Ansoft HFSS軟件中建立仿真模型，如圖6所示。
圖6 AFSS單元模型圖
這種單元結(jié)構(gòu)模型是通過一個單元結(jié)構(gòu)來模擬無限大平面的周期性結(jié)構(gòu)模型。這就要用到Floquet定理:電磁波在周期性結(jié)構(gòu)中傳輸，由于電磁波受到了周期性邊界條件的影響，所以導(dǎo)致電磁波的振幅也呈現(xiàn)出了周期性［12］。此定理同時也指出，當(dāng)無限大周期結(jié)構(gòu)陣列，平面波照射均勻時，其附近場的幅值分布也因結(jié)構(gòu)的周期性導(dǎo)致具有同樣的周期性，但具有規(guī)律的平面斜入射相位差，在時域則表現(xiàn)為有規(guī)律的延時。
對于實(shí)際工程，在圖6的單元模型上建立起周期陣列型結(jié)構(gòu)，其模型如圖7所示。
圖7 AFSS陣列模型
2.2 仿真分析結(jié)果
在上述模型中，假設(shè) C1、C2、C3、C4的電容值相等。改變這4個電容值(范圍為0.1～1 pF)，由時域有限差分法分析，并對其傳輸特性進(jìn)行模擬仿真，得到了如圖8所示的傳輸系數(shù)S21的曲線，其諧振頻率及帶寬如表1所示。
圖8 加載電容后AFSS傳輸系數(shù)曲線
表1 帶寬和傳輸特性隨電容值的變化
如圖8和表1所示，當(dāng)未加載電容時，F(xiàn)SS的諧振頻率在5.71 GHz且?guī)捿^大。然而當(dāng)加大電容量時，帶寬隨之減小，此時的諧振頻點(diǎn)也向低頻轉(zhuǎn)移，且形成正比，當(dāng)電容量不斷增大時，中心頻點(diǎn)也將繼續(xù)向低頻點(diǎn)轉(zhuǎn)移，帶寬也逐漸縮減。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因在于電容被加載后，等效電路模型并聯(lián)了該加載電容。
3 結(jié)束語
本文根據(jù)有源器件的電容等效原理，研究了電容加載對方形縫隙型頻率選擇表面?zhèn)鬏斕匦缘挠绊憽Ｍㄟ^研究發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大加載電容的容值，中心頻點(diǎn)向低頻漂移，且?guī)捴饾u減小。這為FSS傳輸特性的可控性研究提供了參考。
［1］Mittra R，Chan CH，Cwik T.Techniques for analyzing frequency selective surfaces－A review［J］.Proceeding of IEEE，1988，76(12):1593－1615.
［2］Deng Feng.Design of a new kind active frequency selective surface(FSS)［C］.Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications(MAPE)，the 5th International Symposium，IEEE，2013:601 －603.
［3］Chang Kihun，Li Sang，Young Kwak，et al.Equivalent circuit modeling of active frequency selective surfaces［C］.Radio and Wireless Symposium，IEEE，2008:663 －666.
［4］Bao Zhuoru，Yang Yang，He Xiaoxiang，et al.A novel active frequency selective surface based on complementary structures［C］.Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications(IMWS)，IEEE MTT－ SInternational，2012:1 －3.
［5］Grace Huihsia Sung，Kevin W Sowerby，Michael J Neve，et al.Williamson active frequency selective wall for interference reduction in wireless indoor environments［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2006，8(5):29 －37.
［6］Kiani G I，Weily A R，Esselle K P.A novel absorb/transmit FSSfor secure indoor wireless networks with reduced multipath fading［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2006，16(6):378 －380.
［7］金萍，溫浩.基于有源頻率選擇表面的電磁兼容［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(24):124－126.
［8］楊作成，趙惠玲，李媛.基于單層有源FSS的智能雷達(dá)吸收體［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(2):365－367.
［9］鄭書峰.頻率選擇表面的小型化設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012.
［10］張成剛，張強(qiáng)，胡明春.方環(huán)可調(diào)頻率選擇表面吸收體［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25(1):17 －19.
［11］司薇，汪劍波，盧俊.電容加載對十字環(huán)形縫隙FSS傳輸特性的影響［J］.新型工業(yè)化，2013，3(6):48 －52.
［12］樊振宏，陳明，汪書娜，等.有限周期頻率選擇面的電磁特性分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4):724 －728.
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本文基于有源器件可等效為電容的原理，研究了電容加載對方形縫隙型FSS傳輸特性的影響，并給出了仿真曲線及變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對頻率選擇的可控性。
1 理論基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 濾波機(jī)理
首先可進(jìn)行一個假設(shè)，即當(dāng)射到貼片型頻率選擇表面時的電磁波是從左向右進(jìn)行入射的。則此時的金屬表面上就會形成相對應(yīng)的感應(yīng)電流，原因是在平行于貼片方向的電場對電子產(chǎn)生了一定的作用，從而使其產(chǎn)生震蕩。然而此時的入射電磁波有一部分能量通過金屬絲傳播，另一部分能量轉(zhuǎn)化為維持電子震蕩時所需的動能［6］。換句話說，根據(jù)對能量守恒定律的分析，可知電子吸收了維持電子運(yùn)動的能量。然而，在一特定的頻率下，電子的震蕩將所有入射電磁波能量均轉(zhuǎn)移到了自身，此時就產(chǎn)生了一種現(xiàn)象，即投射系數(shù)為零［7］，原因是電子產(chǎn)生的附加散射場將金屬導(dǎo)線右側(cè)電磁波的出射場相互抵消。這時也通過電子所產(chǎn)生的附加場同時向金屬導(dǎo)線左側(cè)傳播從而形成發(fā)射場。還有一種現(xiàn)象是諧振現(xiàn)象，此時的頻率點(diǎn)也就是諧振點(diǎn)［8］。此時的貼片型頻率選擇表面也就形成了相應(yīng)的反射面。然而還有一種情況是必須考慮的，即當(dāng)諧振頻率與入射波的頻率不一致時，這時大部分的能量就被傳播到了貼片的右側(cè)，所以就有較少一部分的能量是用來供電子做加速運(yùn)動的。這時的貼片對于電磁波而言完全是“透明”的，因電磁波完全可通過貼片全部傳播［9］。而此時的投射面也就成了貼片型頻率的選擇表面。一般情況下，貼片類型是帶阻型濾波器。
1.2 FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與等效電路
如圖1所示，本文設(shè)計(jì)了一款方形縫隙FSS結(jié)構(gòu)。在這款方形結(jié)構(gòu)中，金屬單元印刷在介質(zhì)層上，結(jié)構(gòu)參數(shù)為外方環(huán)外邊長L=20 mm，外方環(huán)內(nèi)邊長 W=16 mm，內(nèi)正方形的邊長D=12.25 mm;介質(zhì)的介電常數(shù)ε=3.3，介質(zhì)厚度h=1 mm。
圖1 無加載方形縫隙FSS結(jié)構(gòu)示意圖
其等效電路如圖2所示，這是一種LC并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)［10］。
圖2 無加載方形縫隙FSS等效電路圖
當(dāng)電磁波從不同仰角入射到該模型的FSS上時，其衰減如圖3所示?？煽吹皆摻Y(jié)構(gòu)的FSS在5.4～6 GHz頻帶濾波明顯。
圖3 無加載方形縫隙FSS傳輸特性
1.3 AFSS結(jié)構(gòu)建立與等效電路
當(dāng)電磁波TE波垂直入射時，在上述方形縫隙型FSS結(jié)構(gòu)上加入變?nèi)荻O管［11］，如圖4所示?？赏ㄟ^改變電壓來改變變?nèi)荻O管的容值。由此便建立了有源的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。
圖4 加載電容后的AFSS結(jié)構(gòu)
其等效電路如圖 5所示。其中，C'為 C1、C2、C3、C4的并聯(lián)，其電容值為C'=C1+C2+C3+C4?？煽闯觯摻Y(jié)構(gòu)依然是LC并聯(lián)的諧振電路。因此，可通過改變C'的容值來改變整個結(jié)構(gòu)的諧振頻率。
圖5 加載電容后AFSS結(jié)構(gòu)的等效電路
2 AFSS模型建立與仿真
2.1 AFSS仿真模型
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在Ansoft HFSS軟件中建立仿真模型，如圖6所示。
圖6 AFSS單元模型圖
這種單元結(jié)構(gòu)模型是通過一個單元結(jié)構(gòu)來模擬無限大平面的周期性結(jié)構(gòu)模型。這就要用到Floquet定理:電磁波在周期性結(jié)構(gòu)中傳輸，由于電磁波受到了周期性邊界條件的影響，所以導(dǎo)致電磁波的振幅也呈現(xiàn)出了周期性［12］。此定理同時也指出，當(dāng)無限大周期結(jié)構(gòu)陣列，平面波照射均勻時，其附近場的幅值分布也因結(jié)構(gòu)的周期性導(dǎo)致具有同樣的周期性，但具有規(guī)律的平面斜入射相位差，在時域則表現(xiàn)為有規(guī)律的延時。
對于實(shí)際工程，在圖6的單元模型上建立起周期陣列型結(jié)構(gòu)，其模型如圖7所示。
圖7 AFSS陣列模型
2.2 仿真分析結(jié)果
在上述模型中，假設(shè) C1、C2、C3、C4的電容值相等。改變這4個電容值(范圍為0.1～1 pF)，由時域有限差分法分析，并對其傳輸特性進(jìn)行模擬仿真，得到了如圖8所示的傳輸系數(shù)S21的曲線，其諧振頻率及帶寬如表1所示。
圖8 加載電容后AFSS傳輸系數(shù)曲線
表1 帶寬和傳輸特性隨電容值的變化
如圖8和表1所示，當(dāng)未加載電容時，F(xiàn)SS的諧振頻率在5.71 GHz且?guī)捿^大。然而當(dāng)加大電容量時，帶寬隨之減小，此時的諧振頻點(diǎn)也向低頻轉(zhuǎn)移，且形成正比，當(dāng)電容量不斷增大時，中心頻點(diǎn)也將繼續(xù)向低頻點(diǎn)轉(zhuǎn)移，帶寬也逐漸縮減。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因在于電容被加載后，等效電路模型并聯(lián)了該加載電容。
3 結(jié)束語
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［1］Mittra R，Chan CH，Cwik T.Techniques for analyzing frequency selective surfaces－A review［J］.Proceeding of IEEE，1988，76(12):1593－1615.
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［3］Chang Kihun，Li Sang，Young Kwak，et al.Equivalent circuit modeling of active frequency selective surfaces［C］.Radio and Wireless Symposium，IEEE，2008:663 －666.
［4］Bao Zhuoru，Yang Yang，He Xiaoxiang，et al.A novel active frequency selective surface based on complementary structures［C］.Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications(IMWS)，IEEE MTT－ SInternational，2012:1 －3.
［5］Grace Huihsia Sung，Kevin W Sowerby，Michael J Neve，et al.Williamson active frequency selective wall for interference reduction in wireless indoor environments［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2006，8(5):29 －37.
［6］Kiani G I，Weily A R，Esselle K P.A novel absorb/transmit FSSfor secure indoor wireless networks with reduced multipath fading［J］.Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，2006，16(6):378 －380.
［7］金萍，溫浩.基于有源頻率選擇表面的電磁兼容［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(24):124－126.
［8］楊作成，趙惠玲，李媛.基于單層有源FSS的智能雷達(dá)吸收體［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2007，27(2):365－367.
［9］鄭書峰.頻率選擇表面的小型化設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2012.
［10］張成剛，張強(qiáng)，胡明春.方環(huán)可調(diào)頻率選擇表面吸收體［J］.微波學(xué)報(bào)，2009，25(1):17 －19.
［11］司薇，汪劍波，盧俊.電容加載對十字環(huán)形縫隙FSS傳輸特性的影響［J］.新型工業(yè)化，2013，3(6):48 －52.
［12］樊振宏，陳明，汪書娜，等.有限周期頻率選擇面的電磁特性分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(4):724 －728.
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