对一种双波带可重构频率选择表面的简化

王婧娴，逯贵祯

(中国传媒大学理工学部信息工程学院，北京 100024)



对一种双波带可重构频率选择表面的简化

王婧娴，逯贵祯

(中国传媒大学理工学部信息工程学院，北京 100024)

分析了一种加载PIN二极管的可重构频率选择表面[1]的谐振特性，在保证其谐振特性不变的情况下提出了一种简化结构，并通过CST仿真和等效电路的方法对其进行了验证。与原有设计相比，该简化结构节省了制作成本，易于设计等效电路，同时也对频率选择表面的小型化设计具有重要启发。

频率选择表面(FSS)；等效电路；双波段；可重构

1　引言

频率选择表面(FrequencySelectiveSurface，简称FSS)是一种由谐振单元在介质层上周期排列而成的单层或多层结构，这种谐振单元可以是金属贴片或者金属缝隙，它对电磁波具有选频特性。最初，美国人观察到自然光通过一条丝绢产生奇异的散射现象，但当时没有做出解释。1823年，人们把一束光分解为不同颜色的单色光，周期性的结构才开始进入们的视野。但是由于当时的印制技术和计算机技术不够成熟，无法准确模拟出无限延伸的周期性结构，建模和分析都较为复杂，这种结构的研究和发展较为缓慢。直到近几十年，随着计算机在电磁学中的应用逐渐增多，印制技术也逐渐成熟，理论分析才得以飞速发展。频率选择表面在天线罩、分波束仪等系统中都有着广泛而重要的应用[2]。传统无源的频率选择表面一旦加工成功，其谐振特性就无法改变，而在传统频率选择表面上添加有源器件，制作出的有源频率选择表面，可以根据需要改变谐振频率，能适应外部环境的变化[3]。

关于频率选择表面的研究，用基本结构为基础设计复杂的结构满足各种需要一直是研究的重点，如文献[4]中提出的雪花结构频率选择表面，该结构的吸收带宽较窄，但能实现多角度的吸波性能；又如文献[5]中，将圆环形基础结构改成卷曲状的圆环形，分为满圆和裂口圆，可以分别在垂直和水平方向上调节传输特性。不过复杂构型不容易设计出等效电路。同时，通过加载有源器件使频率选择表面的性能有所改善也受到人们关注，如文献[3]中提出的用MEMS开关加载进频率选择表面中，能实现在四个频段内的稳定跳变。频率选择表面的小型化设计也逐渐受到人们的关注，文献[8]中提出的基于可重构频率选择表面的超材料的超常媒质特性，可以大幅提高天线的小型化。本文提出的一种有源频率选择表面，是在一种新型单元的基础上做的改进，在保证其谐振特性不变的情况下有着更加简单的结构。

2　原模型与简化模型

原结构如图1所示，由中央条带和左右各五个圆环构成，条带中心加载PIN二极管，起到调节谐振特性的作用，当PIN二极管处于通断两种不同状态时，频率选择表面有着不同的谐振特性[1]。介质采用相对介电常数为3、损耗正切角为0.0013的RO3003，厚度为0.0127mm。图2和图3是用原模型在PIN二极管分别处于通断状态下的仿真谐振结果。可以看出，当PIN二极管接通时，产生了一个阻带；当PIN二极管处于断开状态时，会出现一个频率较小的第二个阻带。

图1　原结构单元模型　

图2　ON状态下原模型的传输特性　

图3　OFF状态下原模型的传输特性　

考虑参数改变对原模型谐振特性的影响。考虑的参数有圆环形的外圆半径、内圆半径。发现在PIN二极管断开的情况下，较小的谐振频率需要外圆相接才可能产生，即需要让圆环之间有连接。根据这种思路，可以将模型中的十个圆环简化为两个方环模型，改进后的结构如图4所示，该结构和原结构一样是由两种基本谐振单元构成。一个单元中有两个长方形环和一个不连续条带，条带缝隙处加载了一个PIN二极管。对该模型进行CST仿真，如图5、图6，可以看出仿真结果和原模型谐振特性基本相同。

图4　简化的单元模型　

图5　ON状态下简化模型的传输特性　

图6　OFF状态下简化模型的传输特性　

3　等效电路

等效电路法是由Marcuvitz和Wait等人通过建立平行条带的等效电路发展而来[6]。该方法将频率选择表面单元等效成为电感和电容的谐振回路，频率选择表面的各个参数确定等效电容和电感的值，是一个近似的值，从而可以从电路的角度得到频率选择表面的谐振特性。

当入射波打在频率选择表面时，空气等效为一段传输线，频率选择表面可以等效为电容和电感的一个组合回路，以串联或并联的方式并联在传输线之间[7]。对于简单结构的单元，如条带型、方环型、十字型等，等效电路对于求解频率选择表面的谐振频率是一个很简单方便的方法。本文提出的简化模型可以方便的提出等效电路并对其进行验证。

图7　简化模型的等效电路　

频率选择表面最简单的两种单元是等间距的平行条带。根据入射场的电场极化方向不同可以等效为电感或电容，由此引申出方环型的等效电路如图7所示，其中C1和L1为中央条带的等效，C2和L2为两个方环的等效。与条带型比较，方环型不再连续，因此其等效电路的感抗和容抗都会在条带型的基础上乘一个小于一的倍数。除此之外，单元所附介质也会对等效电路中容抗的大小有所影响。应用matlab，得到PIN二极管在通断状态下的等效电路仿真结果，如图8、图9所示。

图8　ON状态的等效电路仿真　

图9　OFF状态的等效电路仿真　

从仿真结果可以看出，该等效电路的谐振特性与简化模型的谐振特性基本一致。

4　结论

本文提出了一种可重构新型频率选择表面的简化结构，由一个中央条带和两个长方形环构成，该结构更加简单，节省制作成本，易于设计等效电路，同时对频率选择表面的小型化有重要启发。在PIN二极管通断两种不同状态下对其进行了验证，当PIN二极管处于接通状态时，频率选择表面只有一个4GHz左右处的阻带，此阻带和单元结构中的长方形圆环相关；当PIN二极管处于断开状态时，频率选择表面在4GHz左右处的阻带不变，同时会在2GHz左右处多出一个阻带，多出的阻带是由中央条带产生的。然后用这种结构的等效电路进行仿真，仿真结果和原结构能够很好的相符。

[1]BouslamaM，GharsallahA，TraiiM，etal.ReconfigurableNewUnit-cellFrequencySelectiveSurfaceforBeamSwitchingApplications[C].InternationalSymposiumonNetworks，Computers&Communications，2015.

[2]李彦霏，逯贵祯，朴大志，张文杰，关亚林.频率选择性表面散射特性的研究[D].中国电子学会第十三届青年学术年会论文集，2007.

[3]范小龙.基于MEMS开关的有源可重构频率选择表面的研究与设计[D].南京理工大学硕士学位论文，2014.

[4]YoungsooJang，JoungyoungLee，SungjoonLim.IncidentAngleInsensitiveDoubleNegative(DNG)MetamaterialAbsorber[C].ProceedingoftheAsia-PacificMicrowaveConference，2011：1870-1872.

[5]Sanz-IzquierdoB，ParkerEA.DualPolarisedReconfigurableFrequencySelectiveSurfaces[J].IEEETransactionsonAntennas&Propagation，2014，62(2)：764-771.

[6]WaitJR.Reflectionatarbitraryincidencefromaparallelwiregrid[J].AppliedSciRe，1955，4(1)：393-400.

[7]鲍卓如.有源频率选择表面关键技术研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文，2012.

[8]马爽.电可控频率选择表面的研究及其应用[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2014.

(责任编辑：王谦)

SimplerStructureofaDual-bandReconfigurableFrequencySelectiveSurface

WANGJing-xian，LUGui-zhen

(CommunicationUniversityofChina，Beijing100024，China)

PresentedasimplerstructureofanovelReconfigurableFrequencySelectiveSurface(RFSS)whichincludeaPINdiode[1]whilekeepthesamefilteringproperty.ResultsaresimulatedbyCST，andthenweproposedtheequivalentcircuittoprovetheaccuracyofthisstructure.Comparedwiththeoriginaldesign，simplerstructurehavelessproductioncostandcandesignequivalentcircuitmoreeasily.Atthesametime，thissimplerstructurealsohaveanimportantinspirationtothedesignofminiaturizedfrequencyselectivesurface.

frequencyselectivesurface；equivalentcircui；dualband；reconfigurable

2016-03-18

王婧娴(1992-)，女(汉族)，北京市人，中国传媒大学电子与通信工程硕士研究生.E-mail：wjingxian_cuc@sina.com

TN82

A

1673-4793(2016)03-0059-04