类电磁诱导透明效应的入射不敏感频率选择表面研究

廖章奇，丁 凡，徐 峰，冀 航



类电磁诱导透明效应的入射不敏感频率选择表面研究

廖章奇，丁 凡，徐 峰，冀 航

（中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064）

基于微波频段内的类电磁诱导透明效应（Mimic Electromagnetic Induced Transparency, MEIT），设计了一种对入射电磁波不敏感的频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）。对频率选择表面在不同入射角度（0°~80°）以及不同极化方式（TE、TM）下的透射、反射特性进行数值仿真；同时通过仿真频率选择表面的表面电流分布以及能流分布，分析了频率选择表面中类电磁诱导透明效应产生的物理机制。结果表明，类电磁诱导透明效应的非相干特性，使得设计的频率选择表面在所需频段内表现出极强的入射稳定性，对入射电磁波的入射角度以及极化方式均不敏感，在雷达天线罩领域具有潜在的应用价值。

微波频段；频率选择表面；类电磁诱导透明；极化稳定；角度稳定；雷达天线罩

将频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS）[1]技术应用于传统的复合材料雷达天线罩中，可以实现带内透波、带外屏蔽的滤波功能，提高雷达天线罩隐身性能，在水面舰船、飞行器等武器装备的隐身性能设计中得到极大应用[2-4]。鉴于雷达天线罩的表面形状以及雷达天线的探测视角，入射到罩面的电磁波存在不同的入射角度以及极化形式，因此FSS对入射电磁波的角度以及极化敏感性决定了频选雷达天线罩滤波性能的稳定性。

已有的研究表明[5-6]，通过优选分形可实现FSS对入射角度稳定，但FSS单元图形较复杂；采用加载电解质方式可改善大角度入射时FSS的传输特性，但会增加传输损耗；对FSS单元的排布方式进行设计可提高电磁波正入射时的极化稳定性，但大角度入射时稳定性较差。

电磁诱导透明（Electromagnetic Induced Transparency, EIT）是一种量子干涉效应，主要应用于非线性光学、慢光和光存储等领域[7-9]。近年来，微波频段内类EIT效应在滤波器中的潜在应用也逐渐引起了广泛关注[10]，但利用微波频段内的类EIT效应实现频选天线罩的带通特性在相关领域的研究文献中较少提及。

本文从频选雷达天线罩对入射电磁波稳定应用需求出发，利用微波频段内类EIT效应的非相干特性，设计了一种入射角度以及极化方式均不敏感的频率选择表面。采用简单的双方环结构，设计了一种入射稳定的FSS结构，对其在0°~80°入射角范围以及TE、TM极化方式下的透射、反射特性进行仿真对比分析，结果表明，利用类EIT效能能够实现FSS工作频段内电磁波入射角以及极化方式不敏感特性。

1 结构设计

本文分别设计了单方环FSS贴片周期结构（图1（a）与（b））以及双方环FSS贴片周期结构（图1（c）与（d）），灰色为金属部分，在、方向上周期性排列。

单方环FSS单元图形尺寸：单元周期间隔=18 mm、方环边长=16 mm、单方环的线宽=1 mm。双方环FSS单元图形尺寸：单元周期间隔=18 mm、外方环边长1=16 mm、内方环边长2=12 mm、外方环与内方环的线宽1=2=1 mm。FSS单元图形采用厚度20 μm的金属铜，衬底采用FR4介质材料，相对介电常数r= 4.9(1+i0.025)，厚度=0.3 mm。

2 仿真结果与分析

2.1 传输特性分析

分别对单方环FSS结构以及双方环FSS结构在垂直入射情况下的传输特性进行仿真分析，结果如图2所示。单方环FSS结构仅在4.4 GHz附近表现出带阻特性；双方环FSS结构在3.9 GHz(I)以及7.4 GHz(III)附近表现出带阻特性，在4.9 GHz(II)附近表现出带通特性。

对比分析单方环FSS结构以及双方环FSS结构的传输特性可以看出，双方环FSS结构在单方环FSS结构原本表现出带阻特性的频段内，形成了一个透射率90%以上的通带陡峭尖峰。即双方环FSS结构在原本电磁不透明的频段内裂变出现了一个新的电磁透明区域，该区域表现出较高的品质因数≈5，形成微波频段内的类EIT效应。两种FSS结构的传输特性对比如表1所示。

表1 垂直入射条件下单方环以及双方环FSS传输特性对比

Tab.1 Transmission comparion of single and double square loops at normal incidence

FSS频点/GHz带通频段/GHz（透射率大于90%）带阻频段/GHz（反射率大于90%） 单方环FSS4.44.0~4.8 双方环FSS3.93.7~4.0 4.94.6~5.2 7.46.9~7.9

2.2 类EIT效应分析

为分析双方环FSS结构产生类EIT效应的物理机制，对其在3.9，4.9以及7.4 GHz处的表面电流分布情况以及表面电流相位分布情况进行仿真，结果如图3所示。

从图3(a)可以看出，在3.9 GHz处，外方环与内方环的表面电流方向相反，并且外方环表面电流要远大于内方环表面电流，同时存在类似于电偶极子以及磁偶极子的谐振机制；由于内方环表面电流极弱（接近于0），3.9 GHz处磁偶极子谐振几乎可以忽略不计，此时电偶极子谐振机制起主要作用。从图3(c)可以看出，在7.4 GHz处，外方环与内方环的表面电流方向相同，并且内方环表面电流要远大于外方环表面电流，此时仅存在类似于电偶极子的谐振机制。因此，在谐振频点3.9，7.4 GHz处，双方环FSS结构表面电流主要分布在外方环或内方环上，此时起主要作用的为电偶极子谐振，反向辐射电磁波，表现出带阻特性。

由图3(b)可以看出，在4.9 GHz处，外方环与内方环的表面电流方向相反，但外方环表面电流大小与内方环表面电流大小几乎相等，这与3.9，7.4 GHz处表面电流分布情况完全不同，此时电偶极子谐振几乎可以忽略不计。由于外方环与内方环的表面电流相位分布情况相反（如图3(e)所示），双方环FSS左半部分为逆时针方向的表面电流，右半部分为顺时针方向的表面电流，此时左半部分与右半部分磁偶极子谐振作用相互耦合抵消，几乎不存在反向辐射的电磁波，入射电磁波大部分通过FSS结构，表现出带通特性。此时双方环FSS形成非相干周期结构，对入射电磁波的入射角以及极化方式均不敏感。

为进一步分析双方环FSS结构类EIT效应的谐振特性，对FSS在3.9，4.9以及7.4 GHz处的能量分布情况进行仿真，结果如图4中的能流分布以及能量等值线分布。结合图3中的表面电流分布情况分析，从图4(a)与图4(c)可以看出，在带阻频段中心频点3.9，7.4 GHz处，偶极子谐振机制使得电磁波能量分别集中于外方环以及内方环并被大量反射，入射电磁波几乎不能通过双方环FSS结构；而从图4(b)可以看出，在带通频段中心频点4.9 GHz处，由于外方环与内方环表面电流相反，内、外方环之间的弱互耦机制使得入射电磁波大部分经双环之间的缝隙通过FSS结构，使得该区域内的能量密度大幅度提高。

(a) 3.9 GHz；(b) 4.9 GHz；(c) 7.4 GHz

图4 双方环FSS能流分布（左）以及能量等值线分布（右）

Fig.4 Power flow arrow (left ) and isoline (right ) distributions of double square loops

2.3 入射不敏感特性分析

由于双方环FSS结构类EIT效应表现出的非相干特性，此时FSS在类EIT效应出现的频段内对入射电磁波不敏感，仿真结果如图5所示。电磁波入射角范围为0°~80°，极化方式分别为TE极化以及TM极化。

（a）、（b）TE极化；（c）、（d）TM极化

图5 TE以及TM极化下双方环FSS在不同入射角下的透射特性（左）与反射特性（右），虚线表示类EIT效应频段的中心频点

Fig.5 Transmission (Left) and reflection (Right) properties of double square loops at different incident angles with TE and TM polarizations

在TE以及TM极化、入射角0°（垂直入射）情况下，双方环FSS结构类EIT效应频段的中心频点(4.9 GHz)以及通带带宽（0.6 GHz）几乎保持一致，并且在较宽的入射角域范围内均保持稳定。对于TE极化电磁波，中心频点在0°~80°入射角度范围之内均稳定在4.9 GHz附近，变化范围保持在2%以内；类EIT效应带宽（透射率90%以上）在0°~45°之内均能保持在0.6 GHz左右，减幅30%以内。对于TM极化电磁波，中心频点在0°~80°入射角度范围之内同样能稳定在4.9 GHz附近，变化范围2%以内；而类EIT效应带宽（透射率90%以上）在0°~55°之内能保持在0.6 GHz左右，增幅30%以内。因此双方环FSS结构的类EIT效应带通谐振峰具有宽入射角以及极化不敏感特性。

3 结论

对电磁波入射角度以及极化方式的敏感性决定了FSS结构传输特性的稳定性。本文利用微波频段内类EIT效应的非相干特性，设计了一种对入射角以及极化方式均不敏感的频率选择表面。结果表明：FSS结构的中心频点以及通带带宽（透射率90%以上）对入射角度以及极化方式均不敏感，分别可稳定在4.9 GHz以及0.6 GHz。因此将微波频段内的类EIT效应引入到频率选择表面中，将会为设计入射不敏感的频选雷达天线罩提供一条新的思路。

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Frequency selective surface with incidence insensitive properties mimicking electromagnetic induced transparency

LIAO Zhangqi, DING Fan, XU Feng, JI Hang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

An incidence-insensitive frequency selective surface (FSS) was designed, which was based on the mimic electromagnetic induced transparency (MEIT) within microwave frequency band. The transmission and reflection properties were numerically simulated in the conditions of TE and TM polarizations, and incident angles sweeping from 0° to 80°. Meanwhile, the insight physical pictures of FSS’s mimic electromagnetic induced transparency were illustrated by the ways of simulating surface current and power flow distributions. Results indicate that the designed FSS could present strong incidence stable properties, including insensitive incident angles and polarizations, because of the incoherent mimic electromagnetic induced transparency. This could be potentially used in the field of radomes.

microwave band; frequency selective surface; mimic electromagnetic induced transparency; polarization stable; incidence angle independent; radome

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.09.010

TN820.1

A

1001-2028（2016）09-0045-04

2016-07-20 通讯作者：廖章奇

廖章奇（1985－），男，湖北黄石人，博士，主要从事舰船总体设计，E-mail: lzq701@163.com 。

网络出版时间：2016-09-02 11:11:56 网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160902.1111.011.html

（编辑：陈渝生）