大角度穩(wěn)定的雙頻雙極化頻率選擇表面

， ，

( 1.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇南京 210044；2.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心， 江蘇南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所， 江蘇南京 210044)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信和雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)多頻高增益天線的需求日益突出，把卡塞格倫天線副反射面設(shè)計(jì)為頻率選擇表面(FSS)，實(shí)現(xiàn)同一副天線發(fā)射或接收兩種不同頻段的電磁波，不僅可以降低多頻段通信的成本，而且可以減少衛(wèi)星和機(jī)載設(shè)備的載荷。這種雙極化多頻面天線實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)具有透射和反射特性的雙頻FSS，且具有較寬入射角度和極化穩(wěn)定性。

頻率選擇表面(FSS)是一種可以選擇性透射或反射不同頻率電磁波的周期性結(jié)構(gòu)，在軍事和氣象領(lǐng)域具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景，已廣泛用于飛機(jī)和軍艦的隱身技術(shù)、人工磁導(dǎo)體、微波極化轉(zhuǎn)換器、大口徑反射面天線和雷達(dá)罩[1-3]。近期頻率選擇表面(FSS)的研究熱點(diǎn)包括非諧振單元構(gòu)造等效容值感值的最小頻率選擇表面(MEFSS)[4]，具有高矩形系數(shù)和帶外抑制特性的基片集成波導(dǎo)型頻率選擇表面[5]，可重構(gòu)的有源頻率選擇表面[6]等。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

在多波段通信衛(wèi)星天線中，頻率選擇表面(FSS)可同時(shí)提供雙波段或多波段覆蓋。

圖1是多頻面天線，雙曲面形式的副反射面虛焦點(diǎn)與拋物面形式主反射面的焦點(diǎn)重合，X波段和Ku波段饋源的相位中心分別位于主反射面的焦點(diǎn)和副反射面的實(shí)焦點(diǎn)。雖然用孔徑型頻率選擇表面(FSS)可達(dá)到低頻反射和高頻透射特性相對(duì)簡(jiǎn)單，但為減小高頻饋線損耗，一般把X波段的饋源放置在天線主反射面焦點(diǎn)處，Ku波段饋源放置在副反射面的實(shí)焦點(diǎn)處。天線發(fā)射或接收時(shí)，X波段電磁波透射過(guò)FSS副反射面，被拋物面形式的主反射面以平面波傳播，Ku波段饋源發(fā)射的電磁波被FSS反射，同樣被主反射面以平面波傳播。設(shè)計(jì)出具有極化穩(wěn)定性的頻率選擇副反射面，可實(shí)現(xiàn)同一副天線接收或發(fā)射兩種不同頻率，不同極化的電磁波，不僅減少了成本，在探測(cè)特殊目標(biāo)物時(shí)還可以獲得豐富的回波信息[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是在分頻復(fù)用的反射面天線，還是應(yīng)用于雷達(dá)罩，都需要考慮大角度電磁波入射下FSS的頻率響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)具有大角度和極化穩(wěn)定性的頻率選擇表面，選取單元周期小尺寸，陣列排布緊密的結(jié)構(gòu)尤為重要。圖2將常規(guī)排列的FSS與六邊形緊湊排列的FSS進(jìn)行對(duì)比，后者擁有更好的角度和極化穩(wěn)定性。

圖1 雙頻面天線示意圖

圖2 Y單元常規(guī)排列、六邊形緊湊排列和二者的傳輸特性對(duì)比

從頻率特性上看，頻率選擇表面(FSS)一般分為兩類，孔徑型形成的帶通響應(yīng)和貼片型形成的帶阻響應(yīng)。要設(shè)計(jì)一種在低頻段透射、高頻段反射的結(jié)構(gòu)，單一的孔徑型和貼片型都不能滿足此設(shè)計(jì)要求。在雷達(dá)罩和副反射面的共形設(shè)計(jì)中，考慮多層頻率選擇表面進(jìn)行曲面加工的誤差和復(fù)雜程度，本文采用如圖3所示的單層結(jié)構(gòu)，緊湊排列的孔徑在9.4 GHz左右形成較大的通帶，發(fā)生透射；緊湊排列的貼片在14.5 GHz形成阻帶，發(fā)生反射，把緊湊排列的貼片型頻率選擇表面放置在孔徑型頻率選擇表面中，金屬間距的減小增大了整體的容值，貼片型頻率選擇表面的加入增加了整體的感值，降低了諧振頻率，使得頻率選擇表面進(jìn)一步小型化。與常規(guī)排列方式相比，六邊形緊湊排列的方式大大降低了陣元間距，提升了頻率選擇表面的角度穩(wěn)定性和極化穩(wěn)定性，而且卡塞格倫天線的副反射面一般是雙曲面，當(dāng)雙曲面曲率較小且單元與副反射面相比極小時(shí)，設(shè)計(jì)中可以用平面頻率選擇表面(FSS)來(lái)近似曲面。本文采用六邊形排列的方式，單元間十分緊湊，間距小于諧振波長(zhǎng)的六分之一，不僅具有更好的角度和極化穩(wěn)定性，而且近似曲面的程度也更高。設(shè)計(jì)中Y單元相當(dāng)于把彎折后的偶極子單元首尾相連，在單元周長(zhǎng)約等于一個(gè)有效波長(zhǎng)時(shí)發(fā)生諧振，根據(jù)式(1)可以算出介電常數(shù)為3.38的Rogers 4003C介質(zhì)板加載時(shí)X波段的有效波長(zhǎng)，可以粗略估算出Y型結(jié)構(gòu)單邊長(zhǎng)度約為3.2 mm。

(1)

圖3 單個(gè)FSS單元和組合后FSS單元的傳輸系數(shù)

圖4 周期結(jié)構(gòu)柵瓣形成示意圖

(2)

柵瓣出現(xiàn)的頻率f為

(3)

(4)

得到柵瓣開(kāi)始出現(xiàn)的頻率與陣元間距P的關(guān)系，由式(4)可知，當(dāng)單元間距小于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)在任意角度入射均不會(huì)出現(xiàn)柵瓣，經(jīng)計(jì)算，入射波頻率在20 GHz以內(nèi)任意角度入射不出現(xiàn)柵瓣的條件是陣元間距小于7.5 mm。

圖5(a)用外縫臂長(zhǎng)L1和單元間距P單獨(dú)控制X波段通帶，單元間距的減小使得Y孔徑單元的帶寬增加，而孔徑中引入的Y貼片單元也會(huì)受到影響，導(dǎo)致引入的Ku波段反射帶輕微右移，通過(guò)加大外縫臂長(zhǎng)使其穩(wěn)定。圖5(b)用外縫臂長(zhǎng)L1和內(nèi)環(huán)寬W2單獨(dú)控制Ku波段反射帶，L1的減小使得通帶和反射帶諧振頻率變高，同時(shí)增大內(nèi)環(huán)寬會(huì)使整個(gè)Y單元變寬，相當(dāng)于減小了單元間距，使得X波段諧振頻率減小，Ku波段諧振頻率增大，實(shí)現(xiàn)對(duì)Ku波段反射帶的控制。

(a) 單獨(dú)控制X波段通帶

(b) 單獨(dú)控制Ku波段反射帶圖5 改變臂長(zhǎng)L1、單元間距P和內(nèi)環(huán)寬W2 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段的單獨(dú)控制

2 仿真設(shè)計(jì)

Y環(huán)單元的特征尺寸如圖2所示，包括外縫寬W1、外縫臂長(zhǎng)L1、內(nèi)環(huán)寬W2、內(nèi)環(huán)臂長(zhǎng)L2，根據(jù)理論推導(dǎo)臂長(zhǎng)和單元間距，仿真優(yōu)化后得到該結(jié)構(gòu)的參數(shù)為：外縫寬W1=1 mm，外縫臂長(zhǎng)L1=3.3 mm，內(nèi)環(huán)寬W2=0.3 mm，內(nèi)環(huán)臂長(zhǎng)L2=3 mm，相鄰單元間的距離為5 mm，外縫和內(nèi)環(huán)間的縫隙寬0.3 mm。本文使用基于有限元算法的ANSYS HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算，使用介電常數(shù)為3.38的Rogers 4003C介質(zhì)板，厚度為0.508 mm，銅厚為0.038 mm，考慮到導(dǎo)電體的氧化和表面粗糙度，仿真時(shí)將銅的電導(dǎo)率調(diào)低一個(gè)數(shù)量級(jí)以接近實(shí)際情況。圖 6和圖7分別是TM和TE波從不同角度入射時(shí)仿真得到的傳輸系數(shù)，圖8和圖9分別是TM和TE波從不同角度入射時(shí)仿真得到的反射系數(shù)。在通帶9.41 GHz處，TM波在0°～80°入射時(shí)損耗小于0.25 dB，5%的帶寬內(nèi)損耗小于0.34 dB；TE波0°～80°入射時(shí)損耗小于0.8 dB，5%的帶寬內(nèi)損耗小于1 dB。在反射帶14.5 GHz處，TM波在0°～80°入射時(shí)反射率大于97.5%，5%的帶寬內(nèi)反射率大于96.5%；TE波 0°～80°入射時(shí)反射系數(shù)大于93%，5%的帶寬內(nèi)反射系數(shù)大于91%。以上仿真結(jié)果表明，新型單元即使在入射角偏離法線80°的臨界值，頻率選擇表面(FSS)的諧振頻率和基本特性依然穩(wěn)定，基本不受電磁波入射角度的影響。

圖6 仿真TM波0°～80°入射的傳輸系數(shù)

圖7 仿真TE波0°～80°入射的傳輸系數(shù)

圖8 仿真TM波0°～80°入射的反射系數(shù)

圖9 仿真TE波0°～80°入射的反射系數(shù)

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

考慮頻率選擇表面(FSS)將作為有限大的副反射面使用，制成了如圖10所示120 mm×120 mm規(guī)格,如圖11(a)、圖11(b)所示用網(wǎng)絡(luò)分析儀以及工作頻率在X波段和Ku波段的喇叭天線對(duì)頻率選擇表面(FSS)進(jìn)行測(cè)試。

圖10 制備的頻率選擇表面(FSS)

(a) 測(cè)試系統(tǒng)框圖

(b) 暗室測(cè)試圖圖11 測(cè)試系統(tǒng)框圖和暗室測(cè)試圖

圖12 實(shí)測(cè)TM波0°～80°入射的傳輸系數(shù)

圖13 實(shí)測(cè)TE波0°～80°入射的傳輸系數(shù)

(5)

厚度為0.508 mm的 Rogers 4003C介質(zhì)板在14.5 GHz處介質(zhì)損耗為3%，實(shí)測(cè)TE波和TM波0°～80°角入射在反射帶5%帶寬內(nèi)S21小于 -12 dB,即0°～80°在反射帶5%帶寬內(nèi)FSS透射率小于6.3%，由實(shí)測(cè)透射率和介質(zhì)損耗，根據(jù)式(5)計(jì)算出TE波和TM波0°～80°入射時(shí)在中心頻率14.5 GHz的5%帶寬內(nèi)反射率約大于90%。表1將仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在9.41 GHz仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，由于加工誤差造成諧振點(diǎn)的略微偏移，實(shí)測(cè)的有限大FSS產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)和仿真時(shí)理想的無(wú)限大FSS間的差異，以及測(cè)試系統(tǒng)中的噪聲和駐波使得14.5 GHz處實(shí)測(cè)結(jié)果略遜于仿真結(jié)果，但80°入射角內(nèi)14.5 GHz處的透射系數(shù)仍小于-10 dB,可以得出仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了實(shí)現(xiàn)大角度穩(wěn)定的雙極化頻率選擇表面(FSS)理論和設(shè)計(jì)方法。利用Y單元六邊形緊湊排列的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種具有角度穩(wěn)定的雙極化FSS。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方法可行，新型單元采用單層結(jié)構(gòu)易于加工，0°～80°斜入射時(shí)在9.41 GHz透射，5%的帶寬內(nèi)損耗小于1 dB,同時(shí)在14.5 GHz時(shí)反射，5%的帶寬內(nèi)反射率約大于90%，F(xiàn)SS通帶和反射帶兼?zhèn)淞己玫慕嵌确€(wěn)定性和極化穩(wěn)定性，該設(shè)計(jì)對(duì)于分頻復(fù)用的反射面天線和曲面流線型隱身雷達(dá)罩有很好的應(yīng)用價(jià)值。