高選擇性三通帶三維頻率選擇表面的研究

于正永, 陸華麗, 何曉鳳

(1. 江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院, 江蘇 淮安 223003; 2. 南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南京 210023; 3. 淮陰工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223001)

近二十年來(lái),頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)已經(jīng)被廣泛研究和應(yīng)用于各種系統(tǒng)[1],諸如天線罩[2]、天線副反射器[3]、吸波體[4]以及電磁屏蔽[5]等領(lǐng)域.與傳統(tǒng)的濾波器相比[6-8],FSS是一種由具有特定形狀的周期單元組成的二維陣列結(jié)構(gòu),具有獨(dú)特的空間濾波特性,可以實(shí)現(xiàn)帶通或帶阻濾波性能.多頻FSS可以用于設(shè)計(jì)多頻天線反射器,實(shí)現(xiàn)在不同頻段共享主反射器；多頻FSS在衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,能夠增強(qiáng)衛(wèi)星通信能力,因此,隨著頻譜資源的開發(fā),各種多頻微波與天線系統(tǒng)對(duì)于三通帶FSS的需求越來(lái)越大.同時(shí),在實(shí)際工程應(yīng)用中,往往要求三通帶FSS具有平坦帶通響應(yīng)、良好的頻率選擇性、好的角度穩(wěn)定性、雙極化、小通帶比以及較小的電尺寸等,因此研究三頻FSS具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

許戎戎[9]通過(guò)在三重同心方形縫隙環(huán)中加載集總電容的方法提出了一種應(yīng)用于GPS、DCS1800和藍(lán)牙系統(tǒng)的三通帶FSS.司馬格[10]設(shè)計(jì)一種基于耦合縫隙的單層三通帶FSS結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了等效電路分析.Liu等[11]依據(jù)盤繞設(shè)計(jì)思路,實(shí)現(xiàn)了一種小型化的三通帶FSS.不過(guò),文獻(xiàn)[9～11]中每個(gè)通帶僅包含一個(gè)傳輸極點(diǎn),導(dǎo)致通帶不平坦.后來(lái),研究人員利用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提出了一些三通帶FSS,并實(shí)現(xiàn)了部分二階通帶響應(yīng)[12-14].其中,為了滿足X/Ku和K/Ka波段應(yīng)用需求,基于三層金屬表面結(jié)構(gòu)提出了一種三通帶FSS,實(shí)現(xiàn)了較寬的工作帶寬和穩(wěn)定的頻率響應(yīng),但是第一通帶和第二通帶均包含單一傳輸極點(diǎn),無(wú)法形成平坦通帶[12].Lou等[13]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于X、K和毫米波三個(gè)波段的FSS,僅第三通帶實(shí)現(xiàn)了平坦響應(yīng)；隨著入射角度的增加,出現(xiàn)了多處柵瓣效應(yīng).Yan等[14]基于多層金屬方環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種三通帶FSS,實(shí)現(xiàn)了良好的角度穩(wěn)定性,也實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)二階通帶響應(yīng)；但是,在TM極化模式下,隨著入射角度的增加,出現(xiàn)了柵瓣效應(yīng).

為了解決每個(gè)通帶的平坦問(wèn)題,具有二階響應(yīng)的三通帶FSS被研究人員提出[15-17].其中,Tao等[15]基于階梯變換和均勻阻抗諧振器結(jié)構(gòu),采用多層印刷電路板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型的三通帶三維(three-dimensional,3D)FSS,但是,該3D FSS僅能夠工作在單極化模式,而且?guī)鉀](méi)有任何傳輸零點(diǎn),其頻率選擇性能一般.Zhou等[16]運(yùn)用不同大小的圓形金屬貼片,借助中間層的圓形孔徑耦合,設(shè)計(jì)了一種雙極化、二階三通帶FSS,但是也可以發(fā)現(xiàn)帶外沒(méi)有任何傳輸零點(diǎn),其頻率選擇性能需要進(jìn)一步提升,此外,由于單元電尺寸很大,導(dǎo)致其角度穩(wěn)定性較差.Gao等[17]基于雙層堆疊耦合和同心的三方環(huán)陣列提出了一種雙極化、二階三通帶FSS,且在每個(gè)通帶的右側(cè)帶外引入了兩個(gè)傳輸零點(diǎn),其頻率選擇性能得到了提高；但是,在低頻通帶左側(cè)帶外無(wú)傳輸零點(diǎn),帶外抑制性能不好,同時(shí)在高頻處出現(xiàn)較為嚴(yán)重的柵瓣效應(yīng),此外,其單元電尺寸較大.

綜上所述,目前文獻(xiàn)所提出的三通帶FSS無(wú)法保證同時(shí)實(shí)現(xiàn)平坦通帶、高頻率選擇性、良好角度穩(wěn)定性、雙極化等性能,在一定程度上限制了其實(shí)際工程應(yīng)用.

本文基于多層方形介質(zhì)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析了一種高選擇性三通帶3D FSS.由于單元結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,因此很容易實(shí)現(xiàn)雙極化功能.當(dāng)以0°、30°和60°角度入射時(shí),該3D FSS具有穩(wěn)定的頻率響應(yīng).此外,還具有小通帶比和較小的單元尺寸.

1 周期單元結(jié)構(gòu)與濾波響應(yīng)

圖1給出了本文所設(shè)計(jì)的高選擇性三通帶3D FSS單元結(jié)構(gòu).

從圖1a可以看出,該FSS的單元結(jié)構(gòu)由高度均為h的四層方形介質(zhì)筒組合而成,其中介質(zhì)筒1內(nèi)表面刻蝕一個(gè)金屬方筒,介質(zhì)筒2、3、4內(nèi)表面均刻蝕兩個(gè)相同的金屬方環(huán),且這三個(gè)介質(zhì)筒中金屬方環(huán)的間距分別為s1、s2和s2.兩個(gè)相鄰單元結(jié)構(gòu)之間構(gòu)成平行板波導(dǎo)(parallel plate waveguide,PPW)路徑,記為路徑1；介質(zhì)筒1內(nèi)表面金屬方筒和刻蝕兩個(gè)金屬方環(huán)的介質(zhì)筒2構(gòu)成第一個(gè)方同軸波導(dǎo)(square coaxial waveguide,SCW)路徑,記為路徑2；介質(zhì)筒2內(nèi)表面兩個(gè)金屬方環(huán)和刻蝕兩個(gè)金屬方環(huán)的介質(zhì)筒3構(gòu)成第二個(gè)SCW路徑,記為路徑3；介質(zhì)筒3內(nèi)表面兩個(gè)金屬方環(huán)和刻蝕兩個(gè)金屬方環(huán)的介質(zhì)筒4構(gòu)成第三個(gè)SCW路徑,記為路徑4.可以發(fā)現(xiàn),在路徑2、3、4中均形成了上下兩個(gè)相同的短SCW諧振單元,具體如圖1b所示.

圖1c給出了該FSS單元結(jié)構(gòu)的俯視圖,單元結(jié)構(gòu)的周期大小為p,介質(zhì)筒1、2、3、4的內(nèi)邊長(zhǎng)分別為a、b、c、d.此外,介質(zhì)筒1的相對(duì)介電常數(shù)為εr1,介質(zhì)筒2、3、4的相對(duì)介電常數(shù)均為εr2.

圖1 高選擇性三通帶3D FSS單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Unit cell of highly-selective tri-passband 3D FSS

表1列出了高選擇性三通帶3D FSS的設(shè)計(jì)參數(shù)，圖2給出了該3D FSS在表1所示參數(shù)下運(yùn)用高頻結(jié)構(gòu)仿真器(high frequency structure simulator,HFSS)計(jì)算得到的傳輸系數(shù)和反射系數(shù).由圖2可知,該FSS可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)二階通帶響應(yīng).在第一通帶內(nèi)包括兩個(gè)傳輸極點(diǎn)fp1=3.34 GHz和fp2=3.39GHz,在第二通帶內(nèi)包括兩個(gè)傳輸極點(diǎn)fp3=4.41 GHz和fp4=4.45 GHz,在第三通帶內(nèi)包括兩個(gè)傳輸極點(diǎn)fp5=5.35 GHz和fp6=5.49 GHz.同時(shí),在三個(gè)通帶的兩邊各引入一個(gè)傳輸零點(diǎn),分別為：fz1=3.01 GHz，fz2=3.55 GHz，fz3=4.16GHz，fz4=4.61GHz，fz5=5.07GHz和fz6=6.07 GHz,實(shí)現(xiàn)了每個(gè)通帶的雙邊陡降特性,大幅度提升了該FSS的頻率選擇性能.第一、二、三通帶的3 dB帶寬分別為180 MHz(3.27～3.45 GHz)、150 MHz(4.35～4.5 GHz)和360 MHz(5.26～5.62 GHz),對(duì)應(yīng)的3 dB相對(duì)帶寬分別為5.36%、3.39%和6.62%.第二通帶與第一通帶、第三通帶與第二通帶的通帶比分別為1.32和1.23.此外,該FSS單元結(jié)構(gòu)的電尺寸p×p×t為0.134λ0×0.134λ0×0.123λ0,其中λ0為第一通帶中心頻率3.36 GHz處的自由空間波長(zhǎng).

表1 高選擇性三通帶3D FSS的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of highly-selective tri-passband 3D FSS

圖2 高選擇性三通帶3D FSS傳輸系數(shù)和反射系數(shù)的HFSS仿真結(jié)果Fig.2 Simulated transmission and reflection coefficients of highly-selective tri-passband 3D FSS by HFSS

2 工作原理分析

為了進(jìn)一步弄清該3D FSS的工作原理,下面對(duì)傳輸零極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布進(jìn)行研究.

2.1 傳輸極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布

圖3給出了六個(gè)傳輸極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布圖.由圖3a可以發(fā)現(xiàn),在傳輸極點(diǎn)fp1處,當(dāng)電磁波照射到該FSS時(shí),主要是路徑2被激勵(lì)起來(lái),電場(chǎng)矢量主要分布在這個(gè)路徑中,電場(chǎng)矢量在兩個(gè)短SCW中達(dá)到了較大值,而在其他區(qū)域內(nèi)變得很弱,同時(shí)這兩個(gè)短SCW中的電場(chǎng)矢量方向是相同的,因此可以得知傳輸極點(diǎn)fp1是由路徑2中上下兩個(gè)短SCW端面提供的方形槽諧振單元之間電磁耦合的偶模產(chǎn)生,此時(shí)路徑2中心位置處等效于一個(gè)理想磁壁.圖3b給出了傳輸極點(diǎn)fp2處的電場(chǎng)矢量分布圖.由圖可知,在fp2處的電場(chǎng)矢量也主要分布在路徑2中,該路徑中上下兩個(gè)短SCW的電場(chǎng)矢量具有相同的幅度和相反的方向,因此,可以判斷傳輸極點(diǎn)fp2是由路徑2中上下兩個(gè)短SCW端面提供的方形槽諧振單元之間電磁耦合的奇模產(chǎn)生,此時(shí)路徑2中心位置處等效于一個(gè)理想電壁.同理,fp3、fp4分別是由路徑3中上下兩個(gè)短SCW端面提供的方形槽諧振單元之間電磁耦合的偶模和奇模產(chǎn)生,如圖3c和圖3d所示.fp5、fp6分別是由路徑4中上下兩個(gè)短SCW端面提供的方形槽諧振單元之間電磁耦合的偶模和奇模產(chǎn)生,如圖3e和圖3f所示.

圖3 傳輸極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布圖Fig.3 Distributions of electric field vector at the frequencies of transmission poles

綜上所述,第一、二、三通帶分別由路徑2、3、4中兩個(gè)短SCW之間的電磁耦合產(chǎn)生.每個(gè)短SCW端面的方形槽諧振單元本質(zhì)上能提供一個(gè)傳輸極點(diǎn),在電磁耦合作用下,單一的諧振模式耦合分裂為奇模和偶模兩種模式,相應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸極點(diǎn),從而形成一個(gè)二階通帶.路徑2、3、4中方形槽諧振波長(zhǎng)近似等于對(duì)應(yīng)路徑端面的方形槽周長(zhǎng),其諧振頻率決定了每個(gè)通帶的中心頻率.由于路徑2中方形槽周長(zhǎng)最大,其諧振頻率最低,因此提供了低頻段的第一個(gè)通帶；由于路徑4中方形槽周長(zhǎng)最小,其諧振頻率最高,因此提供了高頻段的第三個(gè)通帶；同理,路徑3提供了第二通帶.

2.2 傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布

圖4給出了六個(gè)傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布圖.由圖4a可以的看出,路徑1和處于偶模狀態(tài)下的路徑2同時(shí)被激勵(lì).同時(shí),路徑1和路徑2中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,此時(shí)相位180°反相產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz1.

從圖4b可以看出,在fz2處,路徑1、處于奇模狀態(tài)下的路徑2和路徑3同時(shí)被激勵(lì),在路徑2、3中短SCW末端由于不連續(xù)性作用發(fā)生了反射,且路徑2與路徑1、路徑3中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,相位180°反相產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz2.

由圖4c可知,在fz3處,路徑1、處于偶模狀態(tài)下的路徑3和路徑4同時(shí)被激勵(lì).同時(shí),路徑3與路徑1、路徑4中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,此時(shí)相位180°反相疊加產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz3.

由圖4d可以發(fā)現(xiàn),在fz4處,四條路徑均被激勵(lì),在路徑2、3、4中短SCW末端由于不連續(xù)性作用發(fā)生了反射,且路徑3與路徑1、路徑4中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,此時(shí)相位180°反相疊加產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz4.

由圖4e可以看出,電場(chǎng)矢量主要分布在路徑1、路徑3和路徑4中,且處于偶模狀態(tài)下的路徑4和路徑1中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,相位180°反相產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz5.

圖4 傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布圖

由圖4f可以看出,四條路徑均被激勵(lì),在路徑2、3、4中短SCW末端由于不連續(xù)性作用發(fā)生了反射.同時(shí)處于奇模狀態(tài)下的路徑4與路徑1中電場(chǎng)矢量在出射端方向相反,此時(shí),相位180°反相產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz6.

3 極化獨(dú)立性和角度穩(wěn)定性

由于所設(shè)計(jì)的3D FSS單元結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,因此能夠?qū)崿F(xiàn)雙極化功能.運(yùn)用HFSS軟件仿真得到了該3D FSS在橫向電場(chǎng)(transverse electric,TE)和橫向磁場(chǎng)(transverse magnetic,TM)兩種極化模式下的頻率響應(yīng).由圖5可知,兩種模式下的頻率響應(yīng)基本相同,證明了該3D FSS具有良好的雙極化功能.

圖5 TE和TM兩種極化模式下該3D FSS的頻率響應(yīng)

圖6給出了表1所示設(shè)計(jì)參數(shù)的3D FSS在TE和TM兩種模式下以不同角度入射時(shí)的傳輸系數(shù)HFSS結(jié)果曲線.由圖6可以發(fā)現(xiàn),所設(shè)計(jì)的三通帶3D FSS在0°～60°入射角度范圍內(nèi)具有十分穩(wěn)定的頻率響應(yīng).如圖6a所示,在TE極化模式下,隨著入射角度的增大,通帶的工作帶寬會(huì)隨之發(fā)生較小幅度的減小,同時(shí)通帶內(nèi)插入損耗也隨之增大.主要原因在于,當(dāng)入射角θ增大時(shí),其端口的波阻抗ZTE=Z0/cosθ將會(huì)隨之增大[18],一個(gè)較大的波阻抗將會(huì)導(dǎo)致該FSS內(nèi)的諧振器具有較高的品質(zhì)因數(shù).如圖6b所示,在TM極化模式下,隨著入射角度的增大,其端口的波阻抗ZTM=Z0cosθ將會(huì)隨之減小[18],一個(gè)較小的波阻抗將會(huì)導(dǎo)致該FSS內(nèi)的諧振器具有較低的品質(zhì)因數(shù),從而導(dǎo)致通帶內(nèi)插入損耗隨之增大.

圖6 不同入射角度下該3D FSS傳輸系數(shù)的對(duì)比曲線

4 性能對(duì)比分析

表2給出了所提出的3D FSS與現(xiàn)有相似特性的FSS的性能對(duì)比.由表2可知,本文所設(shè)計(jì)的FSS具有以下優(yōu)勢(shì)：

表2 與現(xiàn)有相似特性的FSS對(duì)比Tab.2 Comparison of the FSS designs with similar characteristic

1) 具有多個(gè)傳輸零極點(diǎn),形成了3個(gè)二階平坦通帶,并且每個(gè)通帶兩邊均引入了一個(gè)傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了每個(gè)通帶的雙邊陡降特性,具有良好的頻率選擇性能；

2) 能夠?qū)崿F(xiàn)雙極化；

3) 在0～60°范圍內(nèi)具有良好的角度穩(wěn)定性；

4) 相鄰?fù)◣Ь哂行⊥◣П龋?/p>

5) 具有較小的單元結(jié)構(gòu).

5 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種高選擇性三通帶3D FSS,通過(guò)SCW路徑中兩個(gè)相同的短SCW諧振單元的電磁耦合作用,原有單一的方形槽諧振模式耦合分裂為奇模和偶模兩種模式,形成三個(gè)二階通帶,并且利用不同路徑中電磁波相位反相疊加,在每個(gè)通帶兩邊各引入一個(gè)傳輸零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了雙邊陡降特性,提高了其頻率選擇性能.通過(guò)分析傳輸零極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布,闡明了該FSS的工作原理.由HFSS仿真分析可知,該FSS具有雙極化、高選擇性、良好的角度穩(wěn)定性、小通帶比以及較小的單元尺寸,可以滿足衛(wèi)星通信對(duì)于多頻應(yīng)用的需求.此外,該3D FSS可以運(yùn)用印刷電路板(printed circuit board,PCB)技術(shù)加工和組裝而成.

致謝：本文得到校博士工作室項(xiàng)目、射頻集成電路與系統(tǒng)校級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(JSEIYC2020002)的資助，在此表示感謝.