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10/15GHz雙屏頻率選擇表面的分析與設計

作者: 時間:2017-06-03 來源:網絡 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/347602.htm

1引言

(FrequencySelectiveSurface,)是由金屬貼片或縫隙構成的二維周期性陣列。它對不同頻率的電磁波有反射或透射特性。例如,縫隙單元的顯高通特性,貼片單元的顯低通特性。因此,可以選擇不同形式的單元來選取所需頻率的電磁波,即常說的FSS具有空域濾波特性。由于具有如此特性,其應用也受到了極大的關注。主要應用有兩個方面:一是用作,如圖1所示。置于拋物面焦點處的天線A工作于頻率fA,置于拋物面頂點處的天線B工作于頻率fB。FSS_1與FSS_2傳輸fA,反射fB。由于FSS_1與FSS_2傳輸fA,所以天線A與拋物面構成工作在fA的拋物面天線。FSS_1與FSS_2反射fB,所以天線B與用作的FSS_1和用作擴展拋物面口徑的FSS_2構成工作在fB的卡塞格倫天線。由此可知,FSS為反射面,多頻工作提供了很好的解決方案,也為降低星載、機載天線的數量、重量和安裝空間提供了很好的解決途徑。二是用作天線罩。FSS天線罩能夠在不影響天線工作性能的前提下,降低了天線的雷達散射截面(RCS),而且與傳統(tǒng)的吸收體相比,具有增加帶寬,減小吸收體厚度等優(yōu)點。

本文針對FSS在第一方面應用,設計了一個對電磁波的入射角和極化形式都不敏感,而且有較大帶寬和較小帶間間隔的雙屏。

圖1用于的FSS


2FSS的分析與設計

FSS的頻率響應特性主要取決于單元形狀。各種常用結構單元(如圖2所示)的詳細討論可見文獻[4-9]。它們之間的性能比較如表1所示。由表1可知,方環(huán)單元對電磁波的入射角不敏感、交叉極化電平低、帶寬寬,而且還能得到較小的帶間間隔。

圖2FSS單元

表1各種單元性能比較

單元

入射角改變時,諧振頻率的穩(wěn)定性

交叉極

化電平

帶寬

最小帶

間間隔

方環(huán)

1

1

1

1

圓環(huán)

1

2

1

1

耶路撒冷

2

3

2

2

偶極子

4

1

4

4

交叉偶極子

3

3

3

3

“叉”型

3

3

3

2

注:“1”表示最好,依次類推

單元形式決定頻響特性,單元尺寸決定FSS的工作頻率。對于方環(huán)或圓環(huán)來說,周長為整數倍波長時諧振。為了避免方向圖出現零點,方環(huán)或圓環(huán)的周長一般取一個波長。如果是印制在介質板上,其周長約為一個有效波長。當單元尺寸與諧振尺寸相差較大時,遠離諧振頻率的電磁波會透過FSS;但會有一定的損耗,主要是由介質、導體和散射產生的。

柵格的布陣方式及單元間距的大小主要影響柵瓣。二維FSS的柵格布陣方式一般有兩種,正方形布陣和三角形布陣(等腰或等邊三角形)。與陣列天線一樣,為了避免柵瓣的出現,FSS相鄰單元的間距在邊射方向(垂直)入射時應小于一個波長。表2列出了不同布陣方式時,未出現柵瓣的單元間距選取準則。

實際的FSS需要介質支撐,引入介質會給FSS設計帶來諸多好處。首先,介質加載可以降低電磁波的入射角對諧振頻率的影響。其次,改變介質厚度,可以調整諧振頻率。第三,介質加載為多頻段FSS的設計提供了很好的解決途徑。第四,介質加載可以減小單元尺寸,從而縮小FSS的尺寸。

表2柵格布陣方式與單元間距

布陣方式

最大間距

屏數的多少也對FSS的性能產生很大的影響。單屏FSS在多數情況下很難滿足系統(tǒng)帶寬和損耗的要求,這時就需要多屏。考慮多屏的計算復雜度和實現難度,常采用雙屏。雙屏與單屏相比,帶寬較寬,諧振帶寬的邊緣截至明顯增強,而且還能消除單屏中的表面波現象,有利于提高傳輸和反射。

310/15GHz雙頻FSS

根據第二節(jié)所討論的,作者設計了一個10GHz傳輸、15GHz反射的網柵方環(huán)單元的雙屏FSS。如圖3所示。采用網柵方環(huán)結構,能夠得到較小的帶間間隔(反射諧振頻率/傳輸諧振頻率=1.5~2),而且在諧振頻率處對入射角和極化比較穩(wěn)定。由于該結構在X與Y方向完全對稱,因此具有良好的圓極化特性。方環(huán)的尺寸決定反射,其外周長約為一個反射諧振波長。柵格的尺寸決定傳輸,其內周長約為一個傳輸諧振波長。FSS單元印制在RogersRT/Duroid5880(tm)上,泡沫用來支撐兩個屏。

圖310/15GHz雙屏FSS

FSS的測試結果如圖4、5、6所示。圖4清楚的表明了在不同模式下(TE/TM),入射角對傳輸的影響很小,僅在大角度入射(>45°),頻率輕微向高頻漂移。插入損耗小于1dB的傳輸帶寬約為3GHz,反射大于20dB的帶寬約為4GHz。圖5和6描述了TE/TM模式下,FSS對方向圖的影響。圖5和圖6的方向圖的變化,主要是因為FSS在10GHz處的插入損耗造成的,但是方向圖未發(fā)生明顯的變化,僅是向下平移。在大角度處,方向圖也沒發(fā)生太大的變化。從而說明,設計的10/15GHz的雙屏FSS具有良好的性能。

圖4TE/TM模式時,不同入射角的傳輸

圖5TE模式,FSS對方向圖的影響

圖6TM模式,FSS對方向圖的影響

4結論

本文詳細討論了FSS的設計思路和方法。完成了10/15GHz的雙屏FSS設計、仿真和測試,結果表明所設計的FSS性能優(yōu)良。



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