一种新型宽带微单元频率选择表面研究

马晓宇，张胜辉，杨红乔

（中国空间技术研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

一种新型宽带微单元频率选择表面研究

马晓宇，张胜辉，杨红乔

（中国空间技术研究院 航天恒星科技有限公司，北京 100086）

提出一种宽频带、低插损的单元小型化频率选择表面（FSS）新型设计。在经典方环型频率选择表面单元基础上进行设计，通过增加方环曲折缝隙的方法，在不增大单元面积的同时降低单元的谐振频率，同时采用中心对称结构降低频率随入射角度的改变增加角度稳定性以及极化稳定性。将这种新型频率选择表面单元与方环贴片型频率选择表面单元级联，通过介质层的合理加载，设计出一个三层的频率选择表面，所实现的低频段带通特性带内差损小、带宽宽以及角度稳定性好。

频率选择表面；微单元；宽通带；低插损

频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，FSS）的概念最早是由美国物理学家DavidRittenhouse在实验中观察到条栅将白色光分解成单色光后提出的［1］，之后Hertz和Tompson等人通过实验对频率选择表面做了进一步解释。频率选择表面是由大量的无源谐振单元组成的周期性阵列结构。这些无源谐振单元通常需要有衬底支撑，也有覆盖层，在介质层上按二维周期性排列构成单层或多层准平面结构［2］。

频率选择表面作为一种二维周期性结构，简单的讲就是一种电磁滤波器，它能让有用的电磁波通过，让不想要的波反射掉，或者相反。频率选择表面所呈现的这种在开放空间的电磁波滤波器功能，使其在科学和工程等领域（特别是在国防军工领域）具有很大的应用价值，一直是微波和天线学者们研究的一个重要方向［3］。

频率选择表面单元的形状、尺寸、介质加载方式以及周期性的排列方式，都将影响频率选择表面的频率响应特性。在实际工作频率很低（L、S波段）的时候，频率选择表面的带宽宽度、角度稳定性、极化稳定性以及单元尺寸等都是设计中的难点。文中提出一种新型频率选择表面单元结构，在传统方环频率选择表面单元的基础上，通过曲折缝隙结构设计了一种改进的频率选择表面单元。这种改进的频率选择表面单元在低频段带通特性的同时，与经典的方环单元相比兼具角度稳定性、极化稳定性以及尺寸小型化等优点。

1　理论分析

在对频率选择表面进行理论分析时，可以将整个频率选择表面作为传输线的一部分进行考虑从而得到频率选择表面的等效传输电路［4］，如图1所示。其中C为频率选择表面周期单元的分布电容，L为分布电感，Y0为自由空间的特征阻抗。此时，频率选择表面的谐振频率和带宽分别为：

式中：f0为谐振频率；Δf为3 dB带宽。其中，分布电容C主要由频率选择表面内两个分离的导电环之间耦合形成，电感L则由频率选择表面内的细导线产生。

图1　频率选择表面的等效传输线电路图Fig.1　The equivalent transmission line circuit diagram of FSS

由式（1）可知降低频率选择表面的谐振频率的可行途径是增大周期单元的分布电容或分布电感，而带宽又与电感成正比，与电容成反比［5］。文中采用弯折电感层缝隙走线以增加其长度的方法来增大分布电感，如图2所示。通常频率选择表面单元的周长决定了谐振频率，一般单元的周长近似为一个波长大小［6］。本文设计的新型频率选择表面单元在大大减小单元面积的同时降低单元的谐振频率（单元尺寸仅为波长的），从而在S频段实现了微单元设计，同时采用中心对称结构降低频率随入射角度的改变增加角度稳定性以及极化稳定性。

2　新型频率选择表面设计

图2　小型化频率选择表面单元Fig.2　Miniaturized frequency selective surface element

基于上述方法，利用CST仿真软件建立如图3所示的三层频率选择表面，此三层结构的纵向结构关于电感层对称，在电容层两侧分别加载厚度为0.6 mm的玻璃钢层（h1= hc1=0.6 mm）电感层两侧加载厚度 0.2 mm的玻璃钢层（h2= 0.2 mm），两层玻璃钢层之间是厚度为6 mm的泡沫层（h= 6 mm）其中电容层的线宽分别为0.7 mm与0.44 mm，电感层线宽0.1 mm。

图3　三层频率选择表面Fig.3　Three-layer frequency selective surface

方环的边长为4.6 mm，整个频率选择表面的尺寸为5 mm*5 mm，厚度为14.9 mm。玻璃钢介电常数为3.2，泡沫介电常数为1.1。经仿真此频率选择表面在不同角度两种极化方式下的传输特性结果如图4所示。

图4　频率选择表面的传输特性图Fig.4　The transmission characteristics diagram of FSS

从仿真结果可以看出周期单元的尺寸仅为5 mm （仅为λ/24，λ为谐振频率电磁波自由空间波长），频率选择表面的谐振频率可达2.5 GHz，-1.5 dB带宽可达2 GHz左右。在0～50度入射角情况下传输特性稳定，两种极化特性稳定。

将设计的三层频率选择表面进行加工测试，测试结果如图5所示。传输特性的测试结果和仿真结果基本一致，测试以及仿真结果证明，上述周期单元小型化频率选择表面的设计是完全可行的。

3　结束语

文中研究了一种基于经典方环的新型小型化频率选择表面单元。通过弯折电感层缝隙走线以增大电感层电感，在大大减小单元面积的同时降低单元的谐振频率。在所设计的新型单元小型化频率选择表面单元的基础上加载介质层，最终设计出一个具有良好入射角稳定性和极化稳定性的三层频率选择表面。由仿真结果可知，上述设计可以将频率选择表面的单元尺寸降低到谐振频率电磁波自由空间波长的1/24，并且实现性能良好的低频段宽带宽的带通型频率选择表面。

图5　频率选择表面传输特性测试结果及仿真结果对比Fig.5　Comparison of simulation and test results for transmission coefficient of the designed FSS

［1］侯新宇.复杂介质加载频率选择表面的特性分析及雷达罩应用研究［D］.西安：西北工业大学，1997.

［2］Munk B A.Frequency Selective Surface：Theory and Design ［M］.NewYork：Wiley，2000.

［3］阮颖铮.雷达截面与隐身技术［M］.北京：国防工业出版社，1998.

［4］Langley R J，Parker E A.Equivalent circuit model for arrays of square loops［N］.Electronic Letters，1982，18（7）：294-296.

［5］Hosseinipanah M，Wu Qun.Exposrue reduction of S-band radar’s staff by designing a frequency selective surface［C］// ICMMT Proceedings，Nanjing，China，2008：456-457.

［6］王立超.频率选择表面设计与应用研究［D］.南京：南京理工大学，2012.

A novel miniaturized-element frequency selective surface with wide-bandwidth

MA Xiao-yu，ZHANG Sheng-hui，YANG Hong-qiao
（China Academy of Space Technology，Space Star Technology Co.，Ltd.，Beijing 100086，China）

This paper presents a new miniaturized Frequency Selective Surface（FSS）element with wide bandwidth and stable polarization and angular responses.By maneuvering the slot of a classic square ring type FSS，the resonant frequency of the element was greatly decreased.At the same time，the element exhibits excellent angular stability and polarization stability due to its center symmetric structure.Cascading the new element with square ring patch FSS elements loaded with dielectric layers，a three-layer-FSS was designed，which has an insertion loss less than 2dB in a bandwidth of 80%.

Frequency Selecive Surface（FSS）；miniaturized-element；angular stability；polarization stability

TN820.8

A

1674－6236（2016）03-0107-02

2015-03-15稿件编号：201503198

马晓宇（1988—），女，河北邢台人，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理、频率选择表面设计与应用。