一种双阻带红外频率选择表面

车志新，田昌会，王斌科，杨百愚，张海防，陈晓莉，田晓霞



一种双阻带红外频率选择表面

车志新，田昌会，王斌科，杨百愚，张海防，陈晓莉，田晓霞

（空军工程大学理学院，陕西 西安 710051）

为实现中、远红外大气窗口的双波段低红外透过率，设计了由2层不同尺寸圆环单元构成的双屏红外频率选择表面（FSS），仿真结果表明该FSS在3～5mm和8～12mm波段形成两个平均透过率低于5%的阻带。对FSS表面电流分析的结果说明，谐振单元表面感应出的对称分布电流使散射总场增强，形成增强型反射，而不同尺寸的谐振单元具有不同的谐振波长，两层谐振单元共同作用形成了两个阻带。研究了入射角以及介质层属性（厚度、介电常数和损耗角正切）对FSS传输特性的影响，结果表明FSS在两个大气窗口内具有良好的角度稳定性，介质层介电常数对FSS的传输特性有较大影响。

频率选择表面；双屏结构；大气窗口；传输特性

0 引言

频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是由周期性排列的贴片型或孔径型谐振单元构成的二维周期性阵列结构，具有空间滤波特性。贴片型具有带阻特性，而孔径型具有带通特性[1]。FSS的滤波特性在军事领域已得到广泛应用，其工作波段已经从电磁波谱的微波波段扩展至红外及可见光波段。在微波波段，FSS可以有效降低雷达罩、座舱及进气道等散射源的雷达散射截面，提高隐身性能；在红外波段，FSS多用于设计吸波材料以及THz滤波器[2-3]，目前红外探测器主要在大气窗口波段内进行探测[4-6]，因此大气窗口是红外隐身重点关注的波段，而利用带阻型FSS对红外辐射的抑制特性降低目标在大气窗口内的红外透过率从而达到红外隐身效果的设计并不多见。FSS有多种分类方法，根据谐振单元层数可以分为单屏FSS和双屏（多屏）FSS。单屏FSS的发展应用已较为成熟，普通的单屏FSS只对一个波段内的电磁波具有滤波效果，组合单元FSS可以实现双带特性[7-8]；双屏FSS则可以通过两层不同尺寸的谐振单元在两个不同的入射波波段实现带通或带阻特性，并且其传输特性曲线具有更好的陡降截止效果[9]，可以有效地拓宽阻带宽度。目前FSS在红外领域的研究处于起步阶段，我们先前设计的单屏结构FSS实现了单波段低透过[10]。本文在此基础上设计了一种圆环结构双屏FSS，实现了中、远红外大气窗口的双波段低透过，并对其传输特性和工作机理进行了分析。

1 双阻带频率选择表面的设计

圆环金属贴片周期可构成带阻型频率选择表面，其谐振波长主要取决于圆环贴片的尺寸在排除介质因素时，圆环等效周长（即圆环单元中心线的周长）为入射波半波长的整数倍时产生谐振。一般情况下，为抑制高次谐振，圆环单元的等效周长应为一个波长[11]。金具有良好的化学稳定性和较低的发射率，用金作为圆环贴片的材料，贴片周期性排列于SiO2介质层上，SiO2介电常数r＝3.9，损耗角正切值tan＝0.025。

在介质层另一侧排列不同尺寸的圆环贴片单元构成双屏FSS，结构如图1所示。双屏FSS具有更宽的带宽和更陡的边缘特性，而不同尺寸的贴片单元可以实现不同波段的带阻滤波特性。优化后确定1＝1.35mm，2＝1.15mm，3＝0.70mm，4＝0.55mm，1＝0.2mm，2＝1.5mm，3＝0.4mm，＝3.0mm。

2 仿真与分析

对设计的FSS进行仿真验证，入射光沿轴方向垂直入射，得到FSS在3～12mm波段的透过率曲线如图2所示。从图中可以看出，在3～5mm和8～12mm两个红外大气窗口形成两个平均透过率低于5%的阻带。查找透过率最低点对应的波长可知3～5mm和8～12mm波段的谐振点分别为3.45mm和10.05mm。3～5mm波段内的谐振点3.45mm处透过率约为0.09%；8～12mm波段内在10.05mm处发生谐振，谐振点处透过率约为0.017%。从图中可以看出，与我们前期对单屏红外FSS进行仿真得到的结果[8]相比，该双屏FSS实现了双阻带传输特性，具有更低的透过率和更加平滑的透过率曲线以及明显的陡降截止特征。

2.1 FSS滤波机理分析

在入射电磁波作用下，谐振单元表面将产生感应电流并形成散射场，通过谐振点处单元表面电流的分布情况对FSS的滤波机理进行分析。谐振波长3.45mm（3～5mm波段谐振点）处两层FSS单元的表面电流分布如图3所示。从图中可以看出，在谐振点处底层圆环单元的表面电流强度明显大于顶层圆环单元，表明FSS在该点的谐振主要是由底层圆环单元共振引起的。从图3(b)可以看出，在入射波作用下，底层圆环单元在纵向感应出同向对称分布的电流，形成对称电流模式，使单元散射总场增强，反射系数达到最大，形成增强型反射，从而使透过率降低，在谐振点附近形成阻带。

FSS在谐振波长10.05mm（8～12mm波段内谐振点）处两层FSS单元的表面电流分布如图4所示。从图中可以看出，在谐振点处顶层圆环单元的表面电流强度明显大于底层圆环单元，表明FSS在该点的谐振主要是由顶层圆环单元共振引起的。从图4(a)可以看出，在入射波作用下，顶层圆环单元在纵向感应出同向对称分布的电流，形成电流对称模式，使单元散射总场增强，反射系数达到最大，形成增强型反射，实现带阻滤波特性。

图1 双屏FSS单元结构示意图：（a）顶层圆环结构；（b）底层圆环结构；（c）侧视图

图2 FSS透过率曲线：(a)双屏FSS透过率曲线；(b)远红外单屏FSS透过率曲线；(c)中红外单屏FSS透过率曲

图3 波长3.45mm处表面电流分布：(a) 顶层圆环表面电流；(b) 底层圆环表面电流

Fig.3 The surface current at the wavelength of 3.45mm: (a) The surface current of top ring unit; (b) The surface current of bottom ring unit

2.2 入射角对FSS传输特性的影响

入射角不同可能会对FSS的传输特性产生影响，当光以不同角度入射时FSS的透过率曲线如图5所示。从图中可以看出，随着入射角从0°增大到60°，FSS的谐振点基本保持不变，全波段透过率有所下降，中红外波段透过率曲线产生细微波动，远红外波段带宽略微扩展，说明该FSS在中、远红外大气窗口内入射角对透过率影响较小。

图4 波长10.05mm处单元表面电流分布：(a) 顶层圆环表面电流；(b) 底层圆环表面电流

图5 不同入射角对应的FSS透过率曲线

2.3 介质层属性对FSS传输特性的影响

2.3.1 介质层厚度的影响

双屏FSS介质层的性质可能会对其传输特性产生影响，如厚度、介电常数和传输损耗等[12]。保持介质层的介电常数＝3.9和损耗角正切tan＝0.025不变，改变介质层厚度2得到的FSS透过率曲线如图6所示。从图中可以看出，随着介质层厚度的增大，中、远红外大气窗口平均透过率稍有降低，在非大气窗口波段透过率增大，透过率曲线峰值向长波方向移动。

2.3.2 介电常数的影响

研究介质层介电常数对FSS传输特性的影响，选取介质层厚度为2＝1.5mm，损耗角正切tan＝0.025，不同介电常数对应的FSS透过率曲线如图7所示。从图中可以看出，随着介质层介电常数的增大，全波段内FSS的透过率曲线及谐振点向长波方向漂移，这是由于介质层介电常数变化对谐振频率的影响导致的[13-14]。3～7mm波段透过率曲线出现波动，初步分析认为这是由于次级谐振出现导致的。

图6 不同厚度对应的FSS透过率曲线

图7 不同介电常数对应的FSS透过率曲线

2.3.3 损耗角正切值的影响

图8给出了不同损耗角正切下FSS的透过率曲线。从图7中可以看出，介质损耗角正切的改变仅引起透过率的变化，随着介质损耗正切的增大，FSS在全波段透过率降低，而谐振点和带宽没有明显变化。因此在实际应用中选取介质层材料时，要考虑工作波段内介质的损耗，选取低损耗介质可以有效增大非工作波段的透过率。由于设计的FSS在3～5mm和8～12mm两个波段透过率本身很小，因此损耗角正切值对这2个大气窗口内的透过率影响较小。

图8 不同损耗角正切对应的FSS透过率曲线

3 结论

本文设计了一种双屏圆环频率选择表面，在3～5mm和8～12mm波段实现了双阻带的滤波特性，平均透过率低于5%，且具有良好的角度稳定性。仿真结果表明介质层厚度增大对谐振点影响较小，中、远红外大气窗口内透过率稍有降低，损耗角正切值对FSS的谐振点影响较小，损耗值越大透过率越低，介电常数增大会使谐振点向长波方向漂移。这些规律对于红外FSS的设计具有一定的参考意义。

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An Infrared Frequency Selective Surface with Dual Stopband

CHE Zhixin，TIAN Changhui，WANG Binke，YANG Baiyu，ZHANG Haifang，CHEN Xiaoli，TIAN Xiaoxia

(,,710051,)

In order to get the low transmission rate in both far infrared atmospheric window and mid infrared atmospheric window, an infrared frequency selective surface (FSS) composed of two layers of ring units with different sizes is designed. Simulation results show that the FSS has two stopbands in both 3μm-5μm and 8μm-12μm, of which the average transmission is lower than 5%. According to the analytical results for the surface current of FSS, inducted current on the surface of units is symmetrical, which enhance the total scattering-field and lead to the enhanced reflex. While resonant units with different size have different resonant wavelength, two layers of units cooperatively form two stopbands.The paper analyzes the effect of the incident angle and dielectric layer properties (thickness, dielectric constant and loss tangent) on the transmission properties of FSS. The results revealed that the transmission of FSS is insensitive to the incident angle, while the dielectric constant is an important factor to the transmission.

frequency selective surface，double layer structures，atmospheric window，transmission properties

TN213

A

1001-8891(2017)07-0594-05

2016-11-10；

2017-04-18.

车志新（1994-），男，山西吕梁人，在读硕士研究生，主要从事红外辐射特性与探测研究。E-mail：402839958@qq.com。

田昌会（1963-），男，陕西合阳人，教授，博士，主要从事红外辐射特性与探测研究。E-mail：tchtyb001@163.com。

国家自然科学基金资助项目（21471159），陕西省自然科学基金项目（2015JM2042）。