等离子体周期结构带通特性研究

张建平等

【摘要】 本文在Lee W. Cross研究等离子立方体加载频选单元结构的基础上，进一步分析结构带通特性受频选单元、等离子体密度、入射方向及上中下三层介质之间的影响，设计优化等离子周期结构模型，采用高介电常数介质封装等离子体，使其具有恒定带宽和随入射角变化保持稳定的谐振频率，大入射角时3dB带宽比在1.4：1以下，拓展等离子周期结构研究前景。

【关键字】 等离子体 频选单元 带通

Research on the band pass characteristics of plasma periodic structure

Zhang Jianping Yuan Naichang Mo Jinjun Cheng Long National University of Defense Technology

Abstract：In this paper， based on the research of Lee W. Cross over load frequency selective structures of the plasma cube， wefurther analyze the impact of the frequency selective unit， the plasma density， the incident direction and in between next three media over the structure of the bandpass characteristics. In our design， when there is a large incidenceangle， 3dB bandwidth will be below1.4 ： 1 or less， thus expanding research prospects of periodic structures of plasma.

Keywords ： plasma ； frequency selective unit ； bandpass

一、引言

周期表面最为重要的应用之一便是用它来设计具有带通特性的结构[1]，而这种结构通常由介质加载缝隙单元（阵列）来实现。基于等离子体参数的动态重构，便捷调节频带谐振特性的周期结构在以等离子体为介质中显得十分有效。

二、单元加载

在以往关于分析研究频率选择表面（FSS）诸多文献中，对单元结构的分析不胜枚举。本文重点研究等离子体加载频选单元在等离子参数影响下的传输特性，因此对加载的频选单元参数（单元间距、周期间距、单元结构等）不再进行讨论。

三、建立模型

单层加载单元一般很难满足带内需求，而双层或多层FSS级联结构较单层FSS结构在很多方面都具有很高的优越性[2]。为进一步分析研究等离子立方体加载频选单元受等离子体介质层参数的影响。

其中，S=2mm，L外层=2.5mm，L内层=1.25mm，圆环外径为1.8mm，内径为1.3mm，Dx=Dy=4mm，封装等离子体介质层（Glass pyrex lossy）厚度为0.1mm，缝隙阵列位于三层封装等离子体介质层中间。

3.1 中间介质层

通过改变等离子密度，仿真分析结构带通特性受等离子密度的影响。设定ve1= ve2= ve3=2E+8s-1，ne1= ne3=1.44E+10cm-3 。

3.2 外侧介质层

设定ve1= ve2= ve3=2E+8s-1，ne2=1.44E+10cm-3，ne1，ne3取相同。

保持中间层等离子密度不变，改变外层等离子密度，密度逐渐增加引起中心频率同样逐渐向高频移动，反射系数逐渐增大，3dB带宽基本保持不变。等离子立方体周期结构加载频选单元在任意改变上中下三层等离子体密度时，带宽并未发生大的变化，具有恒定的带宽，因此，等离子体介质与电介质最终结果在确定带宽上是相同的，加载单元及周期间距一旦确定，带宽就随之确定。

四、优化设计

电磁波在等离子体中的传播与在自由空间时不同，会随等离子体特征参数的变化而产生折射、吸收等效应[3]。对随电磁波入射角变化而保持恒定传输带宽和谐振频率的“空间滤波器”通常被称为“混合雷达罩”，而两个缝隙阵列之间的互导纳Y1，2在决定结构的传输和反射系数上起着关键作用[1]。

（1）

结构经优化后对入射角变化具有较为稳定的谐振频率，入射角时3dB带宽比为1.39：1，带宽较为恒定，传输曲线上部较为平坦，但是在37GHz处出现栅瓣。

五、总结

等离子体立方体（含封装介质）加载频选单元的带通特性具有电介质加载单元同样的带宽、谐振稳定性和传输幅度：一是加载单元影响带通结构的带宽和谐振特性；二是中间介质层影响传输曲线顶部的最大传输和极小传输；三是单元周期间距可以影响单元的互耦，但是要充分考量栅瓣条件。

六、致谢

论文所有工作是在国家自然科学基金（NO.61471368）的支持下完成。