本文對(duì)3 毫米波段的帶通頻率選擇表面濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)仿真技術(shù)分別研究了臂長(zhǎng)、入射波角度及極化方式對(duì)其頻率響應(yīng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)對(duì)入射波極化方式的敏感性很低,并且在小于25°范圍內(nèi)頻率響應(yīng)特性非常穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)和仿真得到了基本一致的結(jié)果。

　　頻率選擇表面( FSS ,Frequency Selective Surface)通常是一種二維周期性結(jié)構(gòu),具有良好的頻率選擇特性,因此本文設(shè)計(jì)的這種新型FSS 具有的優(yōu)點(diǎn)對(duì)多工器、相控陣?yán)走_(dá)表面的濾波和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前人們已經(jīng)提出并研究各種不同F(xiàn)SS 結(jié)構(gòu)的傳輸特性,如方環(huán)形單元、圓環(huán)形單元、耶路撒冷十字單元、十字單元、線性偶極子單元和正方形縫隙單元等。十字單元是比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),它對(duì)入射角度的變化比較敏感,尤其是十字單元FSS 在TM 極化狀態(tài)下,入射角稍微偏離零度時(shí),頻率響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)分支。耶路撒冷十字單元在TM極化狀態(tài)下,對(duì)入射角度的變化也很敏感,入射角度的稍微偏離將大大影響耶路撒冷十字單元的頻率響應(yīng)特性,但是在TE 極化狀態(tài)下,耶路撒冷十字單元的頻率響應(yīng)比較穩(wěn)定 。Y型單元對(duì)極化方式和入射角度變化的敏感程度較小,但是該結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性差。鑒于此,本文提出了類似三個(gè)偶極子組合而成的高度對(duì)稱的縫隙FSS 新型結(jié)構(gòu),進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,研究了該結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)及不同入射方式對(duì)頻率響應(yīng)特性的影響,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)對(duì)入射角度和極化方式的變化敏感度較小,因而有效提高了FSS 單元響應(yīng)特性。

1、物理模型

　　具有頻率選擇特性的FSS 通常是在金屬覆蓋的介質(zhì)上通過(guò)在金屬上構(gòu)建周期性的結(jié)構(gòu)形成。所提出的FSS 如圖1 所示。圖1 (a) 和圖1 (b) 分別顯示了FSS 的周期單元和陣列。在圖1 (a) 里顯示的FSS周期結(jié)構(gòu)是在理想平板導(dǎo)體上開(kāi)三個(gè)長(zhǎng)條形孔組合而成,每個(gè)長(zhǎng)條形槽孔之間的夾角為60°,其中a 為槽寬, b 為槽長(zhǎng)。

圖1 　FSS 結(jié)構(gòu)示意圖

　　假定平面波以一定角度入射到FSS 結(jié)構(gòu)上,根據(jù)電磁場(chǎng)理論,對(duì)于偶極子單元組成的FSS ,在平面波照射下,如果偶極子單元的長(zhǎng)度為入射波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),這個(gè)偶極子單元就會(huì)發(fā)生諧振,波將會(huì)反射回去。當(dāng)許多這樣的線性偶極子按一定的方式組成陣列時(shí),所有的陣元將向某一個(gè)方向上定向輻射能量,就像發(fā)生全反射一樣,此時(shí)反射的角度等于入射角度。這是因?yàn)樵谄矫娌ㄕ丈涞脚紭O子陣列時(shí),某個(gè)偶極子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流與其臨近單元上偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)電流有一個(gè)固定的相位差,正是它的存在使得陣列中所有的偶極子單元朝一個(gè)共同的方向輻射能量,從而形成了諧振現(xiàn)象,當(dāng)很多個(gè)偶極子組合時(shí),所有偶極子長(zhǎng)度之和等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)Babinet’s 原理，結(jié)構(gòu)互補(bǔ)則頻率響應(yīng)也互補(bǔ),圖1 所示FSS周期單元結(jié)構(gòu)是金屬表面上開(kāi)鑿的縫隙結(jié)構(gòu),它同偶極子組合的互補(bǔ)結(jié)構(gòu),它的頻率響應(yīng)和偶極子組合結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)也互補(bǔ),所以在平面波照射該FSS 結(jié)構(gòu)時(shí),發(fā)生諧振的波就會(huì)從縫隙結(jié)構(gòu)中透射過(guò)去,不發(fā)生諧振的波就會(huì)發(fā)生反射,從而實(shí)現(xiàn)頻率選擇,因而同偶極子組合結(jié)構(gòu)的特性恰好相反。在設(shè)計(jì)中,為了抑制高次諧波分量,應(yīng)盡量使槽長(zhǎng)等于半個(gè)波長(zhǎng)而非半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

4、結(jié)論

　　本文對(duì)一個(gè)3 mm 波段頻率選擇表面濾波器的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了FSS 結(jié)構(gòu)單元的臂長(zhǎng)、入射波的極化方式及入射角度對(duì)頻率響應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明當(dāng)入射波的入射角度在±25°范圍內(nèi)該FSS 結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的頻率響應(yīng)特性,并且其頻率響應(yīng)不隨入射波的極化方式發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明由于襯底介質(zhì)損耗導(dǎo)致該FSS 結(jié)構(gòu)具有一定的傳輸損耗,因此需選擇低損耗的介質(zhì)材料降低傳輸損耗。