一種超寬阻帶的帶通三維頻率選擇表面

何曉鳳，朱建平，姜 嚴(yán)

(1.淮陰工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)通常由多個(gè)相同單元結(jié)構(gòu)在二維平面方向上周期排列構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)罩[1-4]、天線副反射器[5]、吸波材料[6]以及電磁屏蔽[7]等領(lǐng)域，備受研究人員關(guān)注。一種基于子波長(zhǎng)感性柵格和彎折耶路撒冷槽組合結(jié)構(gòu)的小型化帶通FSS被提出[8]。Jin等[9]通過(guò)將刻蝕圓形金屬貼片的介質(zhì)柱插入帶孔的金屬板，借助電磁耦合作用，實(shí)現(xiàn)了具有二階帶通的FSS。但是上述2種FSS[8-9]的通帶外均沒(méi)有傳輸零點(diǎn)，其帶外抑制性能較差。后來(lái)，研究人員分別采用屏蔽微帶線[10]、方同軸波導(dǎo)[11]和介質(zhì)集成波導(dǎo)[12]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了帶通FSS，在通帶兩側(cè)各引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，但是帶外阻帶寬度仍較窄。文獻(xiàn)[13]基于矩形波導(dǎo)和方形介質(zhì)諧振器的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了具有右側(cè)寬阻帶的帶通三維(Three-Dimensional，3-D)FSS。Li等[14]采用單層槽線實(shí)現(xiàn)了超寬阻帶的帶通3-D FSS。文獻(xiàn)[15]基于環(huán)形諧振器之間的孔徑電磁耦合效應(yīng)，提出了寬阻帶的帶通FSS。為了滿足5G電磁干擾屏蔽的應(yīng)用需求，文獻(xiàn)[16]借助金屬化過(guò)孔結(jié)構(gòu)和電磁耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一種具有二階通帶和寬阻帶的3-D FSS。運(yùn)用水平和垂直的雙面平行帶線設(shè)計(jì)了具有寬帶外抑制特性的雙極化3-D FSS[17]。Zhao等[18]采用空心金屬管和圓形金屬盤(pán)2層陣列設(shè)計(jì)了零點(diǎn)可調(diào)的寬阻帶帶通FSS，但是由于單元結(jié)構(gòu)的電尺寸較大，其角度穩(wěn)定性較差。

本文基于平行板波導(dǎo)(Parallel Plate Waveguide，PPW)和短方同軸線(Square Coaxial Line，SCL)的組合結(jié)構(gòu)，提出了一種超寬阻帶的帶通3-D FSS。通過(guò)在PPW傳播路徑中加載一對(duì)金屬化過(guò)孔，在縫隙耦合作用下，實(shí)現(xiàn)了具有2個(gè)傳輸極點(diǎn)的通帶。通過(guò)加載含有H形槽的縫隙和2個(gè)短SCL，在通帶右側(cè)帶外引入3個(gè)傳輸零點(diǎn)，形成寬阻帶。因此，所提出的3-D FSS具有雙極化、寬阻帶和良好的角度穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。

1 FSS單元結(jié)構(gòu)

圖1給出了超寬阻帶帶通3-D FSS單元結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程。周期單元的原始結(jié)構(gòu)(a)包括PPW路徑和方形波導(dǎo)路徑。步驟①：通過(guò)在PPW路徑中加載金屬化過(guò)孔來(lái)構(gòu)建雙模諧振器[4]，用于產(chǎn)生所需要的二階通帶。步驟②：在方形波導(dǎo)路徑中加載短SCL結(jié)構(gòu)，利用電磁波在短SCL末端反射，引入傳輸零點(diǎn)。步驟③：將金屬塊插入短SCL內(nèi)部，避免方形波導(dǎo)諧振腔對(duì)單元結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生影響。步驟④：繼續(xù)加載一個(gè)短SCL結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生另一個(gè)傳輸零點(diǎn)。步驟⑤：為了進(jìn)一步拓展阻帶帶寬，在PPW路徑導(dǎo)體中央位置加載一個(gè)含H形槽的縫隙，同時(shí)將金屬化過(guò)孔分布在縫隙兩側(cè)，從而引入第3個(gè)傳輸零點(diǎn)。經(jīng)過(guò)以上5步的演變，可得到超寬阻帶帶通3-D FSS單元結(jié)構(gòu)(f)。

圖1 單元結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程Fig.1 Evolution process of the unit cell

提出的超寬阻帶帶通3-D FSS 4×4個(gè)單元示意圖如圖2(a)所示。單元結(jié)構(gòu)的透視圖、俯視圖、側(cè)視圖和剖面圖分別如圖2(b)、圖2(c)、圖2 (d)和圖2(e)所示。單元結(jié)構(gòu)內(nèi)有3層金屬結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別定義為外層導(dǎo)體、中間導(dǎo)體和內(nèi)層導(dǎo)體，其中外層導(dǎo)體厚度近似為零，內(nèi)層導(dǎo)體為實(shí)心金屬塊。單元結(jié)構(gòu)的周期大小為p，厚度為t，外層導(dǎo)體、中間導(dǎo)體內(nèi)壁和外層導(dǎo)體的邊長(zhǎng)分別為a，b和c，中間導(dǎo)體壁厚為w，中間導(dǎo)體和內(nèi)層導(dǎo)體的高度均為h，外層導(dǎo)體中央有一個(gè)含有H形槽的縫隙，縫隙寬度為s，縫隙兩側(cè)各有一個(gè)直徑為d的金屬化過(guò)孔，H形槽的尺寸用w1，w2和w3來(lái)定義。此時(shí)，在單元結(jié)構(gòu)的入射端形成了2個(gè)相同高度的短SCL結(jié)構(gòu)，在相鄰單元結(jié)構(gòu)之間形成PPW傳播路徑。PPW傳播路徑內(nèi)填充介質(zhì)1，相應(yīng)的介電常數(shù)為εr1，其余部分填充介質(zhì)2，相應(yīng)的介電常數(shù)為εr2。

(a) 4×4個(gè)單元示意

(b) 單元結(jié)構(gòu)透視圖

(c) 單元結(jié)構(gòu)俯視圖

(d) 單元結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

(e) 單元結(jié)構(gòu)剖面圖圖2 超寬阻帶帶通3-D FSSFig.2 Bandpass 3-D FSS with ultra-wide stopband

2 FSS濾波響應(yīng)

提出的超寬阻帶帶通3-D FSS的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，圖3給出了該3-D FSS傳輸與反射系數(shù)的HFSS仿真結(jié)果。

表1 超寬阻帶帶通3-D FSS的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of bandpass 3-D FSS with ultra-wide stopband

圖3 超寬阻帶帶通3-D FSS傳輸與反射系數(shù)的HFSS仿真結(jié)果Fig.3 HFSS simulation results of transmission and reflection coefficient of bandpass 3-D FSS with ultra-wide stopband

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在低頻處產(chǎn)生一個(gè)平坦通帶，通帶的2個(gè)傳輸極點(diǎn)分別位于fp1(2.82 GHz)和fp2(3.02 GHz)，中心頻率為2.92 GHz，3 dB相對(duì)帶寬為15.4%，單元結(jié)構(gòu)的電尺寸大小為0.122λ0×0.122λ0，其中λ0為通帶中心頻率在真空中對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。通帶右側(cè)存在一個(gè)具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)的阻帶，傳輸零點(diǎn)分別位于fz1(3.6 GHz)，fz2(4.64 GHz)和fz3(5.88 GHz)處。由于fz1和fz3處的傳輸零點(diǎn)存在于阻帶的上下邊帶處，而fz2處的傳輸零點(diǎn)位于阻帶中心處，因此，擴(kuò)寬了阻帶的相對(duì)帶寬，20 dB帶寬為2.93 GHz(3.3～6.23 GHz)，其相對(duì)帶寬RBW20 dB約為100.3%，很好地兼顧了阻帶的陡峭性與抑制深度。

3 FSS工作機(jī)理

3.1 電場(chǎng)矢量分析

為了深入分析提出的超寬阻帶帶通3-D FSS的工作機(jī)理，對(duì)3-D FSS所有傳輸零極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量進(jìn)行了分析。通帶中的2個(gè)傳輸極點(diǎn)的電場(chǎng)矢量分布如圖4所示，可以看出,僅PPW路徑傳播電磁波，且支持TEM波的傳播。圖4(a)給出了fp1處的電場(chǎng)矢量分布情況，假設(shè)以單元結(jié)構(gòu)1/2高度處為對(duì)稱面，對(duì)稱面兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)矢量幅值在兩端處具有最大值并逐漸減小，并在金屬化過(guò)孔處具有最小值。由于對(duì)稱面兩側(cè)的電場(chǎng)矢量方向不發(fā)生改變，此時(shí)，對(duì)稱面可以等效為理想磁壁，因此fp1是由PPW路徑中1/4波長(zhǎng)諧振器R1產(chǎn)生的。圖4(b)給出了fp2處的電場(chǎng)矢量分布，對(duì)稱面兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)矢量幅值與fp1處具有相同的分布趨勢(shì)，但是對(duì)稱面兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)矢量方向相反，此時(shí)，對(duì)稱面可以等效為理想電壁，因此fp2是由PPW路徑中的1/2波長(zhǎng)諧振器R2產(chǎn)生的。綜上所述，提出的超寬阻帶帶通3-D FSS的通帶由PPW傳播路徑產(chǎn)生。

(a) fp1

(b) fp2圖4 2個(gè)傳輸極點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布Fig.4 Distributions of electric-field vector at two transmission-pole frequencies

3個(gè)傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布情況如圖5所示。

(a) fz1

(b) fz2

(c) fz3圖5 3個(gè)傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分布Fig.5 Distributions of electric-field vector at three transmission-zero frequencies

如圖5(a)所示，在PPW路徑中，加載H形槽的縫隙由于增大了縫隙兩側(cè)金屬方筒壁邊緣的長(zhǎng)度，產(chǎn)生了較大的并聯(lián)電感，導(dǎo)致電磁波在較低頻率下出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。由文獻(xiàn)[11]可知，外短SCL路徑端面方形槽諧振模式被激勵(lì)起來(lái)，形成了諧振器R3，但電場(chǎng)矢量在末端出現(xiàn)了反射現(xiàn)象，以上2處反射共同作用產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz1。在圖5(b)中，fz2處僅有外短SCL路徑諧振器R3被激勵(lì)，且末端出現(xiàn)了反射，由此產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)fz2。在圖5(c)中，與傳輸零點(diǎn)fz2產(chǎn)生機(jī)理相似，在fz3處僅內(nèi)短SCL路徑方形槽諧振器R4被激勵(lì)且末端出現(xiàn)了反射現(xiàn)象，由此也引入了傳輸零點(diǎn)fz3。綜上所述，超寬阻帶帶通3-D FSS右側(cè)阻帶中最靠近通帶的傳輸零點(diǎn)由PPW路徑和外短SCL路徑共同產(chǎn)生，第2個(gè)傳輸零點(diǎn)由外短SCL路徑產(chǎn)生，第3個(gè)傳輸零點(diǎn)由內(nèi)短SCL路徑產(chǎn)生，因此，可以通過(guò)選擇合適的3-D FSS設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)理想的寬阻帶濾波特性。

超寬阻帶帶通3-D FSS的等效電路拓?fù)淙鐖D6所示。當(dāng)電磁波從輸入端口1進(jìn)入時(shí)，PPW路徑、外短SCW路徑和內(nèi)短SCW路徑均被激勵(lì)。PPW路徑由于加載金屬化過(guò)孔，分裂為奇模和偶模2個(gè)諧振器R1和R2，分別產(chǎn)生PPW的1/4波長(zhǎng)諧振和1/2波長(zhǎng)諧振，產(chǎn)生了2個(gè)傳輸極點(diǎn)。外短SCW路徑和內(nèi)短SCW路徑分別提供諧振器R3和R4，均由端面上的方形槽產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)諧振，電磁波在諧振器R3和R4末端均發(fā)生了反射，產(chǎn)生了2個(gè)傳輸零點(diǎn)。諧振器R1和R3末端的反射共同影響產(chǎn)生了第3個(gè)傳輸零點(diǎn)。電磁波最終從PPW路徑的輸出端口2輸出。

圖6 3-D FSS等效電路拓?fù)銯ig.6 Equivalent circuit topology of 3-D FSS

3.2 參數(shù)分析

超寬阻帶帶通3-D FSS主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其反射與傳輸系數(shù)的影響如圖7所示。

(a) 參數(shù)w3

(b) 參數(shù)w

(c) 參數(shù)c圖7 3-D FSS主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其反射與傳輸系數(shù)的影響Fig.7 Influence of main design parameters of 3-D FSS on its reflection and transmission coefficients

① 參數(shù)w3：圖7(a)給出了H形槽參數(shù)w3的變化對(duì)3-D FSS反射與傳輸系數(shù)的影響。由圖7(a)可以看出，通帶和通帶旁傳輸零點(diǎn)fz1隨著參數(shù)w3增大而向高頻移動(dòng)，原因在于一個(gè)較大的w3將會(huì)使得基于階梯阻抗諧振器(Stepped Impedance Resonator，SIR)的傳播路徑中阻抗比變小，從而導(dǎo)致電長(zhǎng)度變小。右側(cè)阻帶中傳輸零點(diǎn)fz2，fz3不受參數(shù)w3的影響。

② 參數(shù)w：圖7(b)給出了中間導(dǎo)體壁厚w的變化對(duì)3-D FSS反射與傳輸系數(shù)的影響。由圖7(b)可以看出，通帶與傳輸零點(diǎn)fz1，fz3位置基本不受參數(shù)w的影響，而傳輸零點(diǎn)fz2隨著參數(shù)w增大向低頻移動(dòng)，原因在于較大的w將會(huì)使外短SCL的諧振頻率變低，且外短SCL末端不連續(xù)處將產(chǎn)生電磁波反射現(xiàn)象。

③ 參數(shù)c：圖7(c)給出了內(nèi)導(dǎo)體邊長(zhǎng)c的變化對(duì)3-D FSS反射與傳輸系數(shù)的影響。由圖7(c)可以看出，通帶與傳輸零點(diǎn)fz1，fz2基本不受參數(shù)w的影響，而傳輸零點(diǎn)fz3隨著參數(shù)c增大往低頻移動(dòng)，原因在于較大的c會(huì)使內(nèi)短SCL的諧振頻率變低，且內(nèi)短SCL末端不連續(xù)處將產(chǎn)生電磁波反射現(xiàn)象。

由上述分析可知，一方面?zhèn)鬏斄泓c(diǎn)fz1會(huì)始終保持在通帶右側(cè)，保證了3-D FSS高頻率選擇性能，合理地選擇設(shè)計(jì)參數(shù)能夠調(diào)整阻帶內(nèi)其他傳輸零點(diǎn)的位置，從而改善右側(cè)阻帶的寬度或抑制深度；另一方面，通過(guò)上述傳輸零點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量分析可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)阻帶fz2，fz3分別由單元結(jié)構(gòu)中的外短SCL和內(nèi)短SCL末端不連續(xù)性引起的電磁波反射而產(chǎn)生的，因此，可以通過(guò)嵌套更多的短SCL結(jié)構(gòu)，引入更多的傳輸零點(diǎn)來(lái)改善3-D FSS右側(cè)阻帶性能，當(dāng)嵌套短SCL數(shù)量為N時(shí)，在3-D FSS右側(cè)阻帶能夠產(chǎn)生N+1個(gè)傳輸零點(diǎn)。

4 極化獨(dú)立性和角度穩(wěn)定性

超寬阻帶帶通3-D FSS在TE和TM兩種極化模式下的頻率響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖8可以看出，在TE和TM模式下的頻率響應(yīng)仿真曲線基本一致，這說(shuō)明提出的3-D FSS具有雙極化性能，原因在于提出的3-D FSS單元結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性。超寬阻帶帶通3-D FSS在不同極化模式和不同入射角(0°，20°和40°)條件下的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，3-D FSS通帶內(nèi)的插入損耗值均小于1 dB，回波損耗值均大于15 dB，同時(shí)，隨著入射角度的增加，通帶和阻帶的性能沒(méi)有發(fā)生明顯惡化，原因在于提出的3-D FSS單元結(jié)構(gòu)具有較小的電尺寸，降低了對(duì)大角度斜入射電磁波的敏感性，從而提高了該3-D FSS的角度穩(wěn)定性。

圖8 TE和TM極化模式下該3-D FSS的頻率響應(yīng)Fig.8 Frequency responses of 3-D FSS under TE and TM polarization modes

(a) TE極化

(b) TM極化圖9 3-D FSS在斜入式條件下的傳輸與反射系數(shù)仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of transmission and reflection coefficients of 3-D FSS under oblique incidence

5 不同帶通FSS設(shè)計(jì)的性能比較

與現(xiàn)有一些具有相似頻率響應(yīng)的FSS的性能比較如表2所示。由表2可以看出，提出的3-D FSS在雙極化、帶外抑制寬度以及角度穩(wěn)定性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

表2 具有相似頻率響應(yīng)的FSS設(shè)計(jì)的性能比較Tab.2 Performance comparison of FSS designs with similar frequency responses

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以PPW和短SCL組合結(jié)構(gòu)為周期單元的超寬阻帶3-D FSS，通過(guò)在PPW路徑中間位置設(shè)計(jì)一對(duì)金屬化過(guò)孔，構(gòu)造了雙模諧振器，借助中央縫隙電磁耦合產(chǎn)生了2個(gè)傳輸極點(diǎn)，形成所需的通帶。通過(guò)含有H形槽的縫隙和短SCL結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在通帶右側(cè)帶外引入了3個(gè)傳輸零點(diǎn)，拓展了阻帶帶寬。該3-D FSS具有雙極化、寬阻帶以及良好的角度穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿足實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)帶外抑制寬度有要求的場(chǎng)景。