10/15GHz双屏频率选择表面的分析与设计

1、引言

频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)是由金属贴片或缝隙构成的二维周期性阵列。它对不同频率的电磁波有反射或透射特性。例如，缝隙单元的FSS显高通特性，贴片单元的FSS显低通特性。因此，可以选择不同形式的单元来选取所需频率的电磁波，即常说的FSS具有空域滤波特性。由于具有如此特性，其应用也受到了极大的关注。主要应用有两个方面：一是用作副反射器，如图1所示。置于抛物面焦点处的天线A工作于频率fA，置于抛物面顶点处的天线B工作于频率fB。FSS_1与FSS_2传输fA，反射fB。由于FSS_1与FSS_2传输fA，所以天线A与抛物面构成工作在fA的抛物面天线。FSS_1与FSS_2反射fB，所以天线B与用作副反射器的FSS_1和用作扩展抛物面口径的FSS_2构成工作在fB的卡塞格伦天线。由此可知，FSS为反射面，多频工作提供了很好的解决方案，也为降低星载、机载天线的数量、重量和安装空间提供了很好的解决途径。二是用作天线罩。FSS天线罩能够在不影响天线工作性能的前提下，降低了天线的雷达散射截面(RCS)，而且与传统的吸收体相比，具有增加带宽，减小吸收体厚度等优点。

本文针对FSS在第一方面应用，设计了一个对电磁波的入射角和极化形式都不敏感，而且有较大带宽和较小带间间隔的双屏频率选择表面。

　　图1 用于副反射器的FSS

2、FSS的分析与设计

FSS的频率响应特性主要取决于单元形状。各种常用结构单元(如图2所示)的详细讨论可见文献[4-9]。它们之间的性能比较如表1所示。由表1可知，方环单元对电磁波的入射角不敏感、交叉极化电平低、带宽宽，而且还能得到较小的带间间隔。

　　图2 FSS单元

表1  各种单元性能比较

注："1"表示最好，依次类推

单元形式决定频响特性，单元尺寸决定FSS的工作频率。对于方环或圆环来说，周长为整数倍波长时谐振。为了避免方向图出现零点，方环或圆环的周长一般取一个波长。如果是印制在介质板上，其周长约为一个有效波长。当单元尺寸与谐振尺寸相差较大时，远离谐振频率的电磁波会透过FSS;但会有一定的损耗，主要是由介质、导体和散射产生的。

栅格的布阵方式及单元间距的大小主要影响栅瓣。二维FSS的栅格布阵方式一般有两种，正方形布阵和三角形布阵(等腰或等边三角形)。与阵列天线一样，为了避免栅瓣的出现，FSS相邻单元的间距在边射方向(垂直)入射时应小于一个波长。表2列出了不同布阵方式时，未出现栅瓣的单元间距选取准则。

实际的FSS需要介质支撑，引入介质会给FSS设计带来诸多好处。首先，介质加载可以降低电磁波的入射角对谐振频率的影响。其次，改变介质厚度，可以调整谐振频率。第三，介质加载为多频段FSS的设计提供了很好的解决途径。第四，介质加载可以减小单元尺寸，从而缩小FSS的尺寸。

表2  栅格布阵方式与单元间距

屏数的多少也对FSS的性能产生很大的影响。单屏FSS在多数情况下很难满足系统带宽和损耗的要求，这时就需要多屏。考虑多屏的计算复杂度和实现难度，常采用双屏。双屏与单屏相比，带宽较宽，谐振带宽的边缘截至明显增强，而且还能消除单屏中的表面波现象，有利于提高传输和反射。

3、10/15GHz双频FSS

根据第二节所讨论的，作者设计了一个10GHz传输、15GHz反射的网栅方环单元的双屏FSS。如图3所示。采用网栅方环结构，能够得到较小的带间间隔(反射谐振频率/传输谐振频率=1.5~2)，而且在谐振频率处对入射角和极化比较稳定。由于该结构在X与Y方向完全对称，因此具有良好的圆极化特性。方环的尺寸决定反射，其外周长约为一个反射谐振波长。栅格的尺寸决定传输，其内周长约为一个传输谐振波长。FSS单元印制在Rogers RT/ Duroid 5880(tm)上，泡沫用来支撑两个屏。

　　图3 10/15GHz双屏FSS

FSS的测试结果如图4、5、6所示。图4清楚的表明了在不同模式下(TE/TM)，入射角对传输的影响很小，仅在大角度入射(>45°)，频率轻微向高频漂移。插入损耗小于1dB的传输带宽约为3GHz，反射大于20dB的带宽约为4GHz。图5和6描述了TE/TM模式下，FSS对方向图的影响。图5和图6的方向图的变化，主要是因为FSS在10GHz处的插入损耗造成的，但是方向图未发生明显的变化，仅是向下平移。在大角度处，方向图也没发生太大的变化。从而说明，设计的10/15GHz的双屏FSS具有良好的性能。

　　图4 TE/TM模式时，不同入射角的传输

　　图5 TE模式，FSS对方向图的影响

　　图6 TM模式，FSS对方向图的影响

4、结论

本文详细讨论了FSS的设计思路和方法。完成了10/15GHz的双屏FSS设计、仿真和测试，结果表明所设计的FSS性能优良。