基于互补结构的有源FSS传输特性

樊 康 鲍卓如 何小祥 杨 阳

（南京航空航天大学电子信息工程学院，南京，210016）

引 言

频率选择表面（Frequency－selective surface，FSS）已经广泛地应用于通信和雷达系统，并且一直是国内外研究的热点［1－3］。传统的FSS设计成型后，其工作带宽、谐振频率等参数是固定的，不能适应外部电磁环境的变化。自20世纪80年代英国KENT大学的研究小组首次明确提出电可控FSS的概念，即有源频率选择表面（Active FSS）后［4］，有源FSS便得到很大的关注。目前，实现“有源”主要有3种类型：（1）在FSS中加入有源器件，主要为变容管和PIN 管［5，6］；（2）使用电磁特性可变的介质作为衬底［6，7］；（3）控制不同层间的耦合方式［8，9］。相比后两者，在FSS中加入有源器件制作更方便，调控方式更多样，且对环境要求低。

本文采用十字型贴片和方形缝隙互补模型，在十字贴片之间加载PIN管，得到一个新型有源FSS。针对此模型，着重研究了PIN管开启和关闭两种情况下不同入射角、不同极化波传输特性以及PIN管加载对插入相移的影响。

1 理论分析

本文所采用的FSS结构如图1所示。图1中深色部分代表金属，浅色部分代表介质板。介质板材料为FR4－expoxy，相对介电常数约为4.4，介质损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm。

根据等效电路原理和传输线原理可知，方型缝隙模型可以等效成如图2（a）所示的电路，十字贴片模型可以等效成如图2（b）所示的电路［9－11］。上下两金属层的耦合效应，可以等效为互感。中间的介质层可以等效为短传输线，其长度等于介质层厚度。因此，此有源FSS的等效电路可以表示成如图3所示。PIN管正向偏置下等效电路图如图4所示。

图1 有源FSS阵列参数及加载方式

图2 单元的等效电路

图3 整个结构的等效电路

图4 PIN管正向偏置下等效电路

当PIN管不工作的时候，可以等效成一个很大的电阻［12］，由等效电路可以得到此结构的特性阻抗方程式为［13，14］

计算方程式得到1个零点和2个极值点。当阻抗为0时，电流从端口1流向了地面，端口2没有接收到电流，即电磁波没有传输。相反，阻抗为极值时，电流流向了2端口，电磁波得到传输。此有源FSS传输特性表现为双通带。

当PIN管开始工作时，特性阻抗方程式为

由于PIN管完全导通时电阻值很小，计算时方程可以等效为

计算得1个零点和一个极值，此时有源FSS表现为单通带。

PIN的开关状态，可以改变此有源FSS传输特性，达到人为可控的效果。

2 仿真和测试结果分析

本文使用型号为BAP70－03的PIN管，采用镀膜和光刻技术制造有源FSS的实验样本，大小为180mm×163mm，5行6列共30个单元，加载了24个二极管，如图5所示。馈电方式如图6所示，PIN管平行X轴排列。查表可知此型号PIN管工作时表现出阻值在1Ω到300Ω之间变换，通过改变调节器件偏置电压或偏置电流来实现阻值变化。

图7表示的是平面波垂直入射，电场极化方向与PIN管放置方向同向，PIN管不同工作状态下的仿真结果。由图可知，这种加载方式能对第1个通带进行有效的调节。当PIN二极管不工作时，第一谐振频点为2.2GHz，谐振频点处插损为1.3 dB，－10dB带宽为1.7～2.5GHz；而当PIN二极管阻值从300Ω降低到1Ω时（即偏置电压增加，PIN二极管阻值减小），在1.7～2.5GHz的频带内，传输特性曲线在－10dB以下，当阻值为1Ω时，在这个频带内传输特性曲线都在－15dB以下，在2.2GHZ处插损为17.6dB，相比PIN不工作时下降16.3dB，形成良好的隔离度。控制PIN管的工作状态，实现了低频处带通和带阻的切换。相应地，在PIN二极管不工作时，第二谐振频点在4.02GHz，谐振频点处插入损耗为1.58dB；而当PIN二极管阻值从300Ω降低到1Ω时，PIN二极管阻值的改变对第二谐振频点影响甚小。

图5 实验样本

图6 馈电方式

图7 不同PIN管阻值下的传输特性

在不同入射角度下，FSS的透波率将会有很大的差别，因此有必要研究有源FSS的角度稳定性。PIN管在开和关两个状态下，不同模式不同角度入射电磁的传输特性如图8所示。

图8 不同极化、不同入射角下的频率特性

图8（a，b）为FSS在带通状态下，TE波和TM波入射下，传输特性曲线随入射角度的变化过程。TE波入射时，入射角度从0°增加到75°，FSS谐振频率保持在2.2GHz不变，在谐振频率处的传输系数依次为－1.3dB，－1.3dB，－1.4dB，－1.7 dB，－2.2dB和－3.7dB，插入损耗增大，同时其带宽逐渐减小；与TE波相反，TM波入射角从0°增加到75°时，FSS在谐振频率处的传输系数依次为－1.3dB，－1.3dB，－1.2dB，－1.0dB，－0.8 dB和－0.6dB，插入损耗变化不大，但其带宽逐渐增大。图8（c，d）为FSS在带阻状态下，TE波和TM入射下，传输特性曲线随入射角度的变化过程。TE波的传输特性曲线随入射角度的增加逐渐下降，FSS呈现更好的带阻特性；与TE波相反，TM波的传输特性曲线随入射角的增加逐渐上升，FSS的带阻特性变差。TE波电场极化方向与入射面垂直，而TM波极化方向与入射面平行，两种电磁波在FSS上的边界条件不一致，因此导致了TE波和TM波以不同入射角度照射FSS时，FSS的传输特性曲线呈现了不同的变化趋势。

电磁波通过一定厚度的不同介质时，将会引起一定的相位滞后。对于平面波通过两种不同的无损耗、一定厚度的介质层的相移量之差，称为插入相位延时（Insertion phase delay，IPD）［15］。对FSS传输特性研究一般针对主极化状态，即TE和TM极化（相应的极化角分别为90°和0°）。图9为垂直入射下和30°斜入射主极化状态下，PIN管开启和关闭时的IPD特性。结果表明，在PIN管关闭时，在TE波与TM波下，此FSS结构传输曲线有共同谐振点，在谐振频点处IPD完全相同；并且可知TE传输曲线比TM传输曲线较为陡峭，即在谐振处传输效率改变大，则相应的IPD在谐振处附近变化更剧烈。当PIN管开启时，在TE与TM下传输曲线不相交，IPD也无相同点，并且曲线相应都比较平缓。

图9 不同状态下的IPD变化

图10表示的是实验样板在微波暗室中测试结果。首先记录了实验背景噪声，两喇叭直通时传输系数在－5dB左右波动。

由图可知，中心频率也从2.2GHz飘移到了1.8GHz，整体下降了0.4GHz，造成这样的原因可能是PIN管的寄生电容电感，工艺加工带来的影响。当外加电压为0V时，PIN管关闭，传输系数曲线在－8dB附近，减去测试路径损耗5dB，传输系数为－3dB。当外加电压在0～2V之间时，传输曲线没有大的变化。这是由于PIN管是串联形式加载，分配到每个PIN管的电压小于PIN管阀值，此时PIN管还没有工作。当外加电压在2～3V时（每个PIN二极管的直流偏置电压介于0.5 V和0.75V之间），传输系数曲线大幅下降，谐振频率1.8GHz处传输系数从－8dB降到了－25 dB，如图11所示。这表明此阶段直流偏置电压已超过PIN二极管的阀值，因此其电阻随电压的增加而迅速变小。当外加电压大于3V，每个PIN二极管的直流偏置电压大于0.75V，1.8GHz处传输系数稳定在－25dB左右，表明此阶段PIN二极管已经完全导通。比较图7与图10，仿真结果中在谐振频点2.2GHz，传输系数从－1.3dB降到－17.6dB，有16.3dB的动态变化范围，实测结果是在1.8GHz处传输系数从－8dB降到了－25 dB，有17dB的动态变化范围，实测与仿真的效果基本一致。

图10 频率响应测试值

图11 1.8GHz处的传输特性测试值

3 结束语

本文通过在互补结构FSS上加载PIN管，设计了一款新型的有源FSS，通过等效电路和传输线原理分析以及软件仿真和实物测试，可以发现通过改变PIN管的工作状态，FSS的传输系数可以有17dB的动态范围，并且查看了加载PIN管后的插入相移变化。本文研究成果可以为频率选择表面天线罩等透波电磁窗设计提供借鉴。

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