一种新型二阶双频带通频率选择表面的设计

高春燕 蒲红斌

摘  要：文章通过层叠三层周期性金属阵列，提出了一种具有高选择性的二阶双频带通频率选择表面结构。根据该FSS的结构建立了等效电路模型，该结构可以提供多个传输极点和传输零点。这些传输零点导致每个通带两侧都有较宽的带外抑制和快速的陡降。仿真采用CST软件实现，两个通带的中心频率分别为12.7GHz和17.4GHz，并且均有良好的频率选择特性，仿真结果表明该FSS模型拥有较高的角度稳定性与极化稳定性。

关键词：频率选择表面;二阶;双频

中图分类号：TN914 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0032-03

Abstract： In this paper， a second-order， dual-band， band-pass frequency selective surface （FSS） with high selectivity is presented by cascading three-layers of periodic metallic arrays. An equivalent circuit model is developed based on the structure of this FSS， which can provide multiple transmission poles and transmission zeros. The simulation is implemented using full wave electromagnetic simulator CST Microwave Studio， the central fre-quencies of the two pass-bands are 12.7GHz and 17.4GHz. The simulation results show that the FSS model has high angle stability and polarization stability.

Keywords： frequency selective surface （FSS）; Second-order; dual band

1 概述

频率选择表面（Frequency Selective Surface， FSS）通常是指周期单元结构通过某种排布组阵方式所组成的二维平面周期结构或三维曲面结构[1-2]。频率选择表面（FSS）已广泛应用于各种系统，如天线反射器、空间滤波器、雷达、卫星通信、人造磁导体以及电磁波段间隙材料等。为了满足实际应用，作为一种空间滤波器，FSS在其工作频段内对各种入射角和不同偏振都应具有稳定的性能。随着卫星通信的快速发展，其工作频段涵盖微波和毫米波频段或光波频段。为了提高卫星通信系统中多频天线的能力，需要采用具有独立传输频段的多频段频谱系统。

近年来，为了设计出具有多频段性能的FSS，人们提出并利用了许多技术。分形结构具有自相似性特征，从而形成多波段的特性[3]。以及采用由不同尺寸的同心环组成的复合元件来设计多频段FSS[4]，或者在不同层上利用图案化的互补结构被用来设计双频或三频FSS[5]，以期提供多个传输极点和零点。然而，对于上述这些设计，很难获得高的带内选择性和宽的带外抑制响应[6]。本文利用非谐振亚波长周期性结构[7]和互补结构设计[8]的思想，利用改进的栅格方环（GSL）[9]，提出了一种新型的双频FSS，由两层带通栅格双方环（G-DSL）的二维周期阵列和一层金属栅格阵列组成。提出的FSS结构的三个金属层被两个薄介质基板隔开，厚度为λ/16，其中λ是第一工作波段的波长，单位单元尺寸为λ/5。所提出的FSS的频率响应对入射波不是很敏感，此外，由于其对称结构，特别是在正常入射的情况下，其频率响应对不同的极化也很稳定。通过软件仿真验证了其良好的极化、角度稳定性。

2 新型单元的设计

本文所提出的FSS的结构如图1所示，深灰色区域代表电导率为σ=5.8×107S/m的铜，灰色区域表示F4B-2的介电基片，相对介电率为2.65，正切损耗为0.001。其中介质板大小为5.0mm×5.0mm，厚度H=0.1mm。通过调节所设计结构的各个参数数值可以调节谐振频率和频带宽度。单元结构各参数如表1所示。

为了理解图1所示的双频FSS的谐振原理，采用等效电路分析来描述其原理。一般来说，金属栅格可以作为电感的模型，而方环可以作为并联串联LC电路的模型。因此，简单的方环和金属栅格阵列或它们的组合可以建立并联或分流串联LC电路的模型。图1（d）中是所提出的结构的等效电路模型，该模型中包含两个相同的混合谐振器和一个电感，由两条短传输线隔开。每个谐振器由一个电感L1和两个并联的LC（L2-C2、L3-C3）电路组成。在这个等效电路中，三个电感L1代表三层金属层图案的栅格。L2-C2和L3-C3电路分别表示大尺寸方环和小尺寸方環，分两层外部排列。支撑该结构的介质基板被认为是一条长度为h、波阻抗为Z=Z0/εr1/2的短传输线。FSS结构两侧的自由空间也被建模为一条特殊的阻抗为Z0=377Ω的传输线。从图1（d）的右侧可以明显看出，当三个LC谐振子谐振时，在其谐振频率处可以产生两个传输极点和两个传输零点。即电感L1电路在谐振频率fp1处产生一个传输极点。两个并联组合L2-C2和L3-C3电路在频率fz1和fz2 （fz1 < fz2）处分别产生两个传输零点，可以形成谐振频率为fp2 （fz1

3 模拟及分析

图1所示的FSS的频率响应采用全波电磁模拟CST实现。所提出的FSS在正常入射下的传输系数T和反射系数R如图2所示。由此可以看出，有两个传输通带，分别位于11.8和16.8GHz中心。两个通带的-3dB带宽分别为2.2GHz（10.7-12.9GHz）和1.6GHz（16.0-17.6GHz），相对带宽分别为18.6%和9.5%。两个通带具有宽频带响应效果。此外，在两个通带之间，有两个传输零点，分别位于14.3GHz和14.5GHz。其中一个传输零点导致靠近低通带上侧的响应快速下降，而另一个传输零点导致靠近高通带下侧的急剧抑制。该结果表明，在两个所需的频带内，该结构在两种模式下均有良好的频率选择特性。并且FSS结构对正入射TE波和TM波的频率响应完全一致。可以看出所设计的FSS结构具有明显的谐振现象和稳定的频率响应。