高頻率穩(wěn)定性的小型化頻率選擇表面

1 引言
　　頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡稱FSS）是一種二維的無限大周期陣列。FSS的單元分貼片型和孔徑型兩種情況，它們對入射電磁波分別呈現(xiàn)全反射或全透射特性，可以看作是一種對入射角、極化方式、頻率等均有作用的空間濾波器。作為一種空間濾波器，F(xiàn)SS在微波和光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FSS可以用作反射面天線的副反射器實現(xiàn)反射面天線系統(tǒng)的頻率復(fù)用，作為天線覆蓋層增加微帶天線的增益，也可應(yīng)用到雷達罩上實現(xiàn)飛行器雷達設(shè)備的隱身。
　　理論上FSS是無限大的周期結(jié)構(gòu)，但在實際應(yīng)用中FSS都是有限的周期陣列。FSS的無限大周期被截斷后，必然會對FSS的性能帶來顯著的影響。為了保持其原有的特性，通常情況下有限FSS的單元數(shù)目不能少于20×20。當(dāng)實際工作頻率很低（如2~4GHz）的時候，F(xiàn)SS單元太大，在實用尺寸之內(nèi)很難用有限的單元數(shù)來體現(xiàn)FSS的頻率選擇性。因此FSS的小型化在低頻應(yīng)用時顯得尤為重要。目前人們在FSS小型化方面已經(jīng)做了很多探索，本文設(shè)計了一種新型的小型化FSS單元，并對其入射角的頻率穩(wěn)定性進行了分析。與前人的研究成果相比本文設(shè)計的小型化FSS單元尺寸更小，有更好的選擇性和角度穩(wěn)定性。
　　2 FSS小型化單元的設(shè)計
　　根據(jù)MUNK理論對于方環(huán)單元，當(dāng)環(huán)的周長約為入射波長整數(shù)倍時發(fā)生諧振。因此可以在原來方環(huán)單元的內(nèi)部空間中彎曲方環(huán)邊長增加諧振長度就可以在降低中心頻率的同時而不增大單元的面積。圖1為設(shè)計的小型化FSS單元的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。其中Dx，Dy為FSS的周期，它們的取值可以相等 也可以不相等，但所取數(shù)值必須滿足頻率選擇表面對陣列間距的要求以避免柵瓣的出現(xiàn)。L1和L2分別為方環(huán)孔徑的內(nèi)外邊長，L3～L7為向內(nèi)彎曲的各個枝節(jié)的長度。圖中枝節(jié)的長度各不相同，從單元的中心向兩邊呈階梯狀排列。這樣設(shè)計的目的旨在最大限度地利用方環(huán)的內(nèi)部空間。W為孔徑的寬度，為了能夠插入更多的枝節(jié)W的取值應(yīng)盡量小，但所取數(shù)值也不能太小，否則電磁波將不再沿著彎曲孔徑傳播。
　　圖1右邊所示為該小型化FSS單元右上角的局部視圖。取L1=7.8mm，W=0.2mm，各枝節(jié)長度為［L3，L4，L5，L6，L7］=［L2/2.3，L2/2.5， L2/3，L2/5，4*W］，其中L2=L1-2×W。單元間距Dx=Dy=8mm，陣列采用正方形柵格排列。介質(zhì)厚度為1mm，介電常數(shù)為2.65。圖2是該小型化FSS在電磁波垂直入射時的頻率響應(yīng)。從圖中可以看出該小型化單元FSS的中心頻率為2.9GHz，-3dB工作帶寬為2.62GHz～3.14GHz。在實際應(yīng)用中可以通過改變枝節(jié)的長度來獲得需要的工作頻率。
　　
　　圖1 FSS小型化單元結(jié)構(gòu)示意圖