對一種雙波帶可重構(gòu)頻率選擇表面的簡化

王婧嫻，逯貴禎

(中國傳媒大學理工學部信息工程學院，北京 100024)

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對一種雙波帶可重構(gòu)頻率選擇表面的簡化

王婧嫻，逯貴禎

(中國傳媒大學理工學部信息工程學院，北京 100024)

分析了一種加載PIN二極管的可重構(gòu)頻率選擇表面[1]的諧振特性，在保證其諧振特性不變的情況下提出了一種簡化結(jié)構(gòu)，并通過CST仿真和等效電路的方法對其進行了驗證。與原有設計相比，該簡化結(jié)構(gòu)節(jié)省了制作成本，易于設計等效電路，同時也對頻率選擇表面的小型化設計具有重要啟發(fā)。

頻率選擇表面(FSS)；等效電路；雙波段；可重構(gòu)

1　引言

頻率選擇表面(FrequencySelectiveSurface，簡稱FSS)是一種由諧振單元在介質(zhì)層上周期排列而成的單層或多層結(jié)構(gòu)，這種諧振單元可以是金屬貼片或者金屬縫隙，它對電磁波具有選頻特性。最初，美國人觀察到自然光通過一條絲絹產(chǎn)生奇異的散射現(xiàn)象，但當時沒有做出解釋。1823年，人們把一束光分解為不同顏色的單色光，周期性的結(jié)構(gòu)才開始進入們的視野。但是由于當時的印制技術和計算機技術不夠成熟，無法準確模擬出無限延伸的周期性結(jié)構(gòu)，建模和分析都較為復雜，這種結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展較為緩慢。直到近幾十年，隨著計算機在電磁學中的應用逐漸增多，印制技術也逐漸成熟，理論分析才得以飛速發(fā)展。頻率選擇表面在天線罩、分波束儀等系統(tǒng)中都有著廣泛而重要的應用[2]。傳統(tǒng)無源的頻率選擇表面一旦加工成功，其諧振特性就無法改變，而在傳統(tǒng)頻率選擇表面上添加有源器件，制作出的有源頻率選擇表面，可以根據(jù)需要改變諧振頻率，能適應外部環(huán)境的變化[3]。

關于頻率選擇表面的研究，用基本結(jié)構(gòu)為基礎設計復雜的結(jié)構(gòu)滿足各種需要一直是研究的重點，如文獻[4]中提出的雪花結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，該結(jié)構(gòu)的吸收帶寬較窄，但能實現(xiàn)多角度的吸波性能；又如文獻[5]中，將圓環(huán)形基礎結(jié)構(gòu)改成卷曲狀的圓環(huán)形，分為滿圓和裂口圓，可以分別在垂直和水平方向上調(diào)節(jié)傳輸特性。不過復雜構(gòu)型不容易設計出等效電路。同時，通過加載有源器件使頻率選擇表面的性能有所改善也受到人們關注，如文獻[3]中提出的用MEMS開關加載進頻率選擇表面中，能實現(xiàn)在四個頻段內(nèi)的穩(wěn)定跳變。頻率選擇表面的小型化設計也逐漸受到人們的關注，文獻[8]中提出的基于可重構(gòu)頻率選擇表面的超材料的超常媒質(zhì)特性，可以大幅提高天線的小型化。本文提出的一種有源頻率選擇表面，是在一種新型單元的基礎上做的改進，在保證其諧振特性不變的情況下有著更加簡單的結(jié)構(gòu)。

2　原模型與簡化模型

原結(jié)構(gòu)如圖1所示，由中央條帶和左右各五個圓環(huán)構(gòu)成，條帶中心加載PIN二極管，起到調(diào)節(jié)諧振特性的作用，當PIN二極管處于通斷兩種不同狀態(tài)時，頻率選擇表面有著不同的諧振特性[1]。介質(zhì)采用相對介電常數(shù)為3、損耗正切角為0.0013的RO3003，厚度為0.0127mm。圖2和圖3是用原模型在PIN二極管分別處于通斷狀態(tài)下的仿真諧振結(jié)果?？梢钥闯觯擯IN二極管接通時，產(chǎn)生了一個阻帶；當PIN二極管處于斷開狀態(tài)時，會出現(xiàn)一個頻率較小的第二個阻帶。

圖1　原結(jié)構(gòu)單元模型　

圖2　ON狀態(tài)下原模型的傳輸特性　

圖3　OFF狀態(tài)下原模型的傳輸特性　

考慮參數(shù)改變對原模型諧振特性的影響。考慮的參數(shù)有圓環(huán)形的外圓半徑、內(nèi)圓半徑。發(fā)現(xiàn)在PIN二極管斷開的情況下，較小的諧振頻率需要外圓相接才可能產(chǎn)生，即需要讓圓環(huán)之間有連接。根據(jù)這種思路，可以將模型中的十個圓環(huán)簡化為兩個方環(huán)模型，改進后的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)一樣是由兩種基本諧振單元構(gòu)成。一個單元中有兩個長方形環(huán)和一個不連續(xù)條帶，條帶縫隙處加載了一個PIN二極管。對該模型進行CST仿真，如圖5、圖6，可以看出仿真結(jié)果和原模型諧振特性基本相同。

圖4　簡化的單元模型　

圖5　ON狀態(tài)下簡化模型的傳輸特性　

圖6　OFF狀態(tài)下簡化模型的傳輸特性　

3　等效電路

等效電路法是由Marcuvitz和Wait等人通過建立平行條帶的等效電路發(fā)展而來[6]。該方法將頻率選擇表面單元等效成為電感和電容的諧振回路，頻率選擇表面的各個參數(shù)確定等效電容和電感的值，是一個近似的值，從而可以從電路的角度得到頻率選擇表面的諧振特性。

當入射波打在頻率選擇表面時，空氣等效為一段傳輸線，頻率選擇表面可以等效為電容和電感的一個組合回路，以串聯(lián)或并聯(lián)的方式并聯(lián)在傳輸線之間[7]。對于簡單結(jié)構(gòu)的單元，如條帶型、方環(huán)型、十字型等，等效電路對于求解頻率選擇表面的諧振頻率是一個很簡單方便的方法。本文提出的簡化模型可以方便的提出等效電路并對其進行驗證。

圖7　簡化模型的等效電路　

頻率選擇表面最簡單的兩種單元是等間距的平行條帶。根據(jù)入射場的電場極化方向不同可以等效為電感或電容，由此引申出方環(huán)型的等效電路如圖7所示，其中C1和L1為中央條帶的等效，C2和L2為兩個方環(huán)的等效。與條帶型比較，方環(huán)型不再連續(xù)，因此其等效電路的感抗和容抗都會在條帶型的基礎上乘一個小于一的倍數(shù)。除此之外，單元所附介質(zhì)也會對等效電路中容抗的大小有所影響。應用matlab，得到PIN二極管在通斷狀態(tài)下的等效電路仿真結(jié)果，如圖8、圖9所示。

圖8　ON狀態(tài)的等效電路仿真　

圖9　OFF狀態(tài)的等效電路仿真　

從仿真結(jié)果可以看出，該等效電路的諧振特性與簡化模型的諧振特性基本一致。

4　結(jié)論

本文提出了一種可重構(gòu)新型頻率選擇表面的簡化結(jié)構(gòu)，由一個中央條帶和兩個長方形環(huán)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)更加簡單，節(jié)省制作成本，易于設計等效電路，同時對頻率選擇表面的小型化有重要啟發(fā)。在PIN二極管通斷兩種不同狀態(tài)下對其進行了驗證，當PIN二極管處于接通狀態(tài)時，頻率選擇表面只有一個4GHz左右處的阻帶，此阻帶和單元結(jié)構(gòu)中的長方形圓環(huán)相關；當PIN二極管處于斷開狀態(tài)時，頻率選擇表面在4GHz左右處的阻帶不變，同時會在2GHz左右處多出一個阻帶，多出的阻帶是由中央條帶產(chǎn)生的。然后用這種結(jié)構(gòu)的等效電路進行仿真，仿真結(jié)果和原結(jié)構(gòu)能夠很好的相符。

[1]BouslamaM，GharsallahA，TraiiM，etal.ReconfigurableNewUnit-cellFrequencySelectiveSurfaceforBeamSwitchingApplications[C].InternationalSymposiumonNetworks，Computers&Communications，2015.

[2]李彥霏，逯貴禎，樸大志，張文杰，關亞林.頻率選擇性表面散射特性的研究[D].中國電子學會第十三屆青年學術年會論文集，2007.

[3]范小龍.基于MEMS開關的有源可重構(gòu)頻率選擇表面的研究與設計[D].南京理工大學碩士學位論文，2014.

[4]YoungsooJang，JoungyoungLee，SungjoonLim.IncidentAngleInsensitiveDoubleNegative(DNG)MetamaterialAbsorber[C].ProceedingoftheAsia-PacificMicrowaveConference，2011：1870-1872.

[5]Sanz-IzquierdoB，ParkerEA.DualPolarisedReconfigurableFrequencySelectiveSurfaces[J].IEEETransactionsonAntennas&Propagation，2014，62(2)：764-771.

[6]WaitJR.Reflectionatarbitraryincidencefromaparallelwiregrid[J].AppliedSciRe，1955，4(1)：393-400.

[7]鮑卓如.有源頻率選擇表面關鍵技術研究[D].南京航空航天大學碩士學位論文，2012.

[8]馬爽.電可控頻率選擇表面的研究及其應用[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文，2014.

(責任編輯：王謙)

SimplerStructureofaDual-bandReconfigurableFrequencySelectiveSurface

WANGJing-xian，LUGui-zhen

(CommunicationUniversityofChina，Beijing100024，China)

PresentedasimplerstructureofanovelReconfigurableFrequencySelectiveSurface(RFSS)whichincludeaPINdiode[1]whilekeepthesamefilteringproperty.ResultsaresimulatedbyCST，andthenweproposedtheequivalentcircuittoprovetheaccuracyofthisstructure.Comparedwiththeoriginaldesign，simplerstructurehavelessproductioncostandcandesignequivalentcircuitmoreeasily.Atthesametime，thissimplerstructurealsohaveanimportantinspirationtothedesignofminiaturizedfrequencyselectivesurface.

frequencyselectivesurface；equivalentcircui；dualband；reconfigurable

2016-03-18

王婧嫻(1992-)，女(漢族)，北京市人，中國傳媒大學電子與通信工程碩士研究生.E-mail：wjingxian_cuc@sina.com

TN82

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1673-4793(2016)03-0059-04