一種雙阻帶紅外頻率選擇表面

車志新，田昌會，王斌科，楊百愚，張海防，陳曉莉，田曉霞

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一種雙阻帶紅外頻率選擇表面

車志新，田昌會，王斌科，楊百愚，張海防，陳曉莉，田曉霞

（空軍工程大學理學院，陜西 西安 710051）

為實現(xiàn)中、遠紅外大氣窗口的雙波段低紅外透過率，設(shè)計了由2層不同尺寸圓環(huán)單元構(gòu)成的雙屏紅外頻率選擇表面（FSS），仿真結(jié)果表明該FSS在3～5mm和8～12mm波段形成兩個平均透過率低于5%的阻帶。對FSS表面電流分析的結(jié)果說明，諧振單元表面感應(yīng)出的對稱分布電流使散射總場增強，形成增強型反射，而不同尺寸的諧振單元具有不同的諧振波長，兩層諧振單元共同作用形成了兩個阻帶。研究了入射角以及介質(zhì)層屬性（厚度、介電常數(shù)和損耗角正切）對FSS傳輸特性的影響，結(jié)果表明FSS在兩個大氣窗口內(nèi)具有良好的角度穩(wěn)定性，介質(zhì)層介電常數(shù)對FSS的傳輸特性有較大影響。

頻率選擇表面；雙屏結(jié)構(gòu)；大氣窗口；傳輸特性

0 引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）是由周期性排列的貼片型或孔徑型諧振單元構(gòu)成的二維周期性陣列結(jié)構(gòu)，具有空間濾波特性。貼片型具有帶阻特性，而孔徑型具有帶通特性[1]。FSS的濾波特性在軍事領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，其工作波段已經(jīng)從電磁波譜的微波波段擴展至紅外及可見光波段。在微波波段，F(xiàn)SS可以有效降低雷達罩、座艙及進氣道等散射源的雷達散射截面，提高隱身性能；在紅外波段，F(xiàn)SS多用于設(shè)計吸波材料以及THz濾波器[2-3]，目前紅外探測器主要在大氣窗口波段內(nèi)進行探測[4-6]，因此大氣窗口是紅外隱身重點關(guān)注的波段，而利用帶阻型FSS對紅外輻射的抑制特性降低目標在大氣窗口內(nèi)的紅外透過率從而達到紅外隱身效果的設(shè)計并不多見。FSS有多種分類方法，根據(jù)諧振單元層數(shù)可以分為單屏FSS和雙屏（多屏）FSS。單屏FSS的發(fā)展應(yīng)用已較為成熟，普通的單屏FSS只對一個波段內(nèi)的電磁波具有濾波效果，組合單元FSS可以實現(xiàn)雙帶特性[7-8]；雙屏FSS則可以通過兩層不同尺寸的諧振單元在兩個不同的入射波波段實現(xiàn)帶通或帶阻特性，并且其傳輸特性曲線具有更好的陡降截止效果[9]，可以有效地拓寬阻帶寬度。目前FSS在紅外領(lǐng)域的研究處于起步階段，我們先前設(shè)計的單屏結(jié)構(gòu)FSS實現(xiàn)了單波段低透過[10]。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種圓環(huán)結(jié)構(gòu)雙屏FSS，實現(xiàn)了中、遠紅外大氣窗口的雙波段低透過，并對其傳輸特性和工作機理進行了分析。

1 雙阻帶頻率選擇表面的設(shè)計

圓環(huán)金屬貼片周期可構(gòu)成帶阻型頻率選擇表面，其諧振波長主要取決于圓環(huán)貼片的尺寸在排除介質(zhì)因素時，圓環(huán)等效周長（即圓環(huán)單元中心線的周長）為入射波半波長的整數(shù)倍時產(chǎn)生諧振。一般情況下，為抑制高次諧振，圓環(huán)單元的等效周長應(yīng)為一個波長[11]。金具有良好的化學穩(wěn)定性和較低的發(fā)射率，用金作為圓環(huán)貼片的材料，貼片周期性排列于SiO2介質(zhì)層上，SiO2介電常數(shù)r＝3.9，損耗角正切值tan＝0.025。

在介質(zhì)層另一側(cè)排列不同尺寸的圓環(huán)貼片單元構(gòu)成雙屏FSS，結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙屏FSS具有更寬的帶寬和更陡的邊緣特性，而不同尺寸的貼片單元可以實現(xiàn)不同波段的帶阻濾波特性。優(yōu)化后確定1＝1.35mm，2＝1.15mm，3＝0.70mm，4＝0.55mm，1＝0.2mm，2＝1.5mm，3＝0.4mm，＝3.0mm。

2 仿真與分析

對設(shè)計的FSS進行仿真驗證，入射光沿軸方向垂直入射，得到FSS在3～12mm波段的透過率曲線如圖2所示。從圖中可以看出，在3～5mm和8～12mm兩個紅外大氣窗口形成兩個平均透過率低于5%的阻帶。查找透過率最低點對應(yīng)的波長可知3～5mm和8～12mm波段的諧振點分別為3.45mm和10.05mm。3～5mm波段內(nèi)的諧振點3.45mm處透過率約為0.09%；8～12mm波段內(nèi)在10.05mm處發(fā)生諧振，諧振點處透過率約為0.017%。從圖中可以看出，與我們前期對單屏紅外FSS進行仿真得到的結(jié)果[8]相比，該雙屏FSS實現(xiàn)了雙阻帶傳輸特性，具有更低的透過率和更加平滑的透過率曲線以及明顯的陡降截止特征。

2.1 FSS濾波機理分析

在入射電磁波作用下，諧振單元表面將產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成散射場，通過諧振點處單元表面電流的分布情況對FSS的濾波機理進行分析。諧振波長3.45mm（3～5mm波段諧振點）處兩層FSS單元的表面電流分布如圖3所示。從圖中可以看出，在諧振點處底層圓環(huán)單元的表面電流強度明顯大于頂層圓環(huán)單元，表明FSS在該點的諧振主要是由底層圓環(huán)單元共振引起的。從圖3(b)可以看出，在入射波作用下，底層圓環(huán)單元在縱向感應(yīng)出同向?qū)ΨQ分布的電流，形成對稱電流模式，使單元散射總場增強，反射系數(shù)達到最大，形成增強型反射，從而使透過率降低，在諧振點附近形成阻帶。

FSS在諧振波長10.05mm（8～12mm波段內(nèi)諧振點）處兩層FSS單元的表面電流分布如圖4所示。從圖中可以看出，在諧振點處頂層圓環(huán)單元的表面電流強度明顯大于底層圓環(huán)單元，表明FSS在該點的諧振主要是由頂層圓環(huán)單元共振引起的。從圖4(a)可以看出，在入射波作用下，頂層圓環(huán)單元在縱向感應(yīng)出同向?qū)ΨQ分布的電流，形成電流對稱模式，使單元散射總場增強，反射系數(shù)達到最大，形成增強型反射，實現(xiàn)帶阻濾波特性。

圖1 雙屏FSS單元結(jié)構(gòu)示意圖：（a）頂層圓環(huán)結(jié)構(gòu)；（b）底層圓環(huán)結(jié)構(gòu)；（c）側(cè)視圖

圖2 FSS透過率曲線：(a)雙屏FSS透過率曲線；(b)遠紅外單屏FSS透過率曲線；(c)中紅外單屏FSS透過率曲

圖3 波長3.45mm處表面電流分布：(a) 頂層圓環(huán)表面電流；(b) 底層圓環(huán)表面電流

Fig.3 The surface current at the wavelength of 3.45mm: (a) The surface current of top ring unit; (b) The surface current of bottom ring unit

2.2 入射角對FSS傳輸特性的影響

入射角不同可能會對FSS的傳輸特性產(chǎn)生影響，當光以不同角度入射時FSS的透過率曲線如圖5所示。從圖中可以看出，隨著入射角從0°增大到60°，F(xiàn)SS的諧振點基本保持不變，全波段透過率有所下降，中紅外波段透過率曲線產(chǎn)生細微波動，遠紅外波段帶寬略微擴展，說明該FSS在中、遠紅外大氣窗口內(nèi)入射角對透過率影響較小。

圖4 波長10.05mm處單元表面電流分布：(a) 頂層圓環(huán)表面電流；(b) 底層圓環(huán)表面電流

圖5 不同入射角對應(yīng)的FSS透過率曲線

2.3 介質(zhì)層屬性對FSS傳輸特性的影響

2.3.1 介質(zhì)層厚度的影響

雙屏FSS介質(zhì)層的性質(zhì)可能會對其傳輸特性產(chǎn)生影響，如厚度、介電常數(shù)和傳輸損耗等[12]。保持介質(zhì)層的介電常數(shù)＝3.9和損耗角正切tan＝0.025不變，改變介質(zhì)層厚度2得到的FSS透過率曲線如圖6所示。從圖中可以看出，隨著介質(zhì)層厚度的增大，中、遠紅外大氣窗口平均透過率稍有降低，在非大氣窗口波段透過率增大，透過率曲線峰值向長波方向移動。

2.3.2 介電常數(shù)的影響

研究介質(zhì)層介電常數(shù)對FSS傳輸特性的影響，選取介質(zhì)層厚度為2＝1.5mm，損耗角正切tan＝0.025，不同介電常數(shù)對應(yīng)的FSS透過率曲線如圖7所示。從圖中可以看出，隨著介質(zhì)層介電常數(shù)的增大，全波段內(nèi)FSS的透過率曲線及諧振點向長波方向漂移，這是由于介質(zhì)層介電常數(shù)變化對諧振頻率的影響導致的[13-14]。3～7mm波段透過率曲線出現(xiàn)波動，初步分析認為這是由于次級諧振出現(xiàn)導致的。

圖6 不同厚度對應(yīng)的FSS透過率曲線

圖7 不同介電常數(shù)對應(yīng)的FSS透過率曲線

2.3.3 損耗角正切值的影響

圖8給出了不同損耗角正切下FSS的透過率曲線。從圖7中可以看出，介質(zhì)損耗角正切的改變僅引起透過率的變化，隨著介質(zhì)損耗正切的增大，F(xiàn)SS在全波段透過率降低，而諧振點和帶寬沒有明顯變化。因此在實際應(yīng)用中選取介質(zhì)層材料時，要考慮工作波段內(nèi)介質(zhì)的損耗，選取低損耗介質(zhì)可以有效增大非工作波段的透過率。由于設(shè)計的FSS在3～5mm和8～12mm兩個波段透過率本身很小，因此損耗角正切值對這2個大氣窗口內(nèi)的透過率影響較小。

圖8 不同損耗角正切對應(yīng)的FSS透過率曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種雙屏圓環(huán)頻率選擇表面，在3～5mm和8～12mm波段實現(xiàn)了雙阻帶的濾波特性，平均透過率低于5%，且具有良好的角度穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明介質(zhì)層厚度增大對諧振點影響較小，中、遠紅外大氣窗口內(nèi)透過率稍有降低，損耗角正切值對FSS的諧振點影響較小，損耗值越大透過率越低，介電常數(shù)增大會使諧振點向長波方向漂移。這些規(guī)律對于紅外FSS的設(shè)計具有一定的參考意義。

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An Infrared Frequency Selective Surface with Dual Stopband

CHE Zhixin，TIAN Changhui，WANG Binke，YANG Baiyu，ZHANG Haifang，CHEN Xiaoli，TIAN Xiaoxia

(,,710051,)

In order to get the low transmission rate in both far infrared atmospheric window and mid infrared atmospheric window, an infrared frequency selective surface (FSS) composed of two layers of ring units with different sizes is designed. Simulation results show that the FSS has two stopbands in both 3μm-5μm and 8μm-12μm, of which the average transmission is lower than 5%. According to the analytical results for the surface current of FSS, inducted current on the surface of units is symmetrical, which enhance the total scattering-field and lead to the enhanced reflex. While resonant units with different size have different resonant wavelength, two layers of units cooperatively form two stopbands.The paper analyzes the effect of the incident angle and dielectric layer properties (thickness, dielectric constant and loss tangent) on the transmission properties of FSS. The results revealed that the transmission of FSS is insensitive to the incident angle, while the dielectric constant is an important factor to the transmission.

frequency selective surface，double layer structures，atmospheric window，transmission properties

TN213

A

1001-8891(2017)07-0594-05

2016-11-10；

2017-04-18.

車志新（1994-），男，山西呂梁人，在讀碩士研究生，主要從事紅外輻射特性與探測研究。E-mail：402839958@qq.com。

田昌會（1963-），男，陜西合陽人，教授，博士，主要從事紅外輻射特性與探測研究。E-mail：tchtyb001@163.com。

國家自然科學基金資助項目（21471159），陜西省自然科學基金項目（2015JM2042）。