高选择性三通带三维频率选择表面的研究

于正永, 陆华丽, 何晓凤

(1. 江苏电子信息职业学院 计算机与通信学院, 江苏 淮安 223003; 2. 南京师范大学 物理科学与技术学院, 江苏 南京 210023; 3. 淮阴工学院 电子信息工程学院, 江苏 淮安 223001)

近二十年来,频率选择表面(frequency selective surface,FSS)已经被广泛研究和应用于各种系统[1],诸如天线罩[2]、天线副反射器[3]、吸波体[4]以及电磁屏蔽[5]等领域.与传统的滤波器相比[6-8],FSS是一种由具有特定形状的周期单元组成的二维阵列结构,具有独特的空间滤波特性,可以实现带通或带阻滤波性能.多频FSS可以用于设计多频天线反射器,实现在不同频段共享主反射器；多频FSS在卫星通信系统应用广泛,能够增强卫星通信能力,因此,随着频谱资源的开发,各种多频微波与天线系统对于三通带FSS的需求越来越大.同时,在实际工程应用中,往往要求三通带FSS具有平坦带通响应、良好的频率选择性、好的角度稳定性、双极化、小通带比以及较小的电尺寸等,因此研究三频FSS具有重要的现实意义.

许戎戎[9]通过在三重同心方形缝隙环中加载集总电容的方法提出了一种应用于GPS、DCS1800和蓝牙系统的三通带FSS.司马格[10]设计一种基于耦合缝隙的单层三通带FSS结构,并进行了等效电路分析.Liu等[11]依据盘绕设计思路,实现了一种小型化的三通带FSS.不过,文献[9～11]中每个通带仅包含一个传输极点,导致通带不平坦.后来,研究人员利用多层结构设计,提出了一些三通带FSS,并实现了部分二阶通带响应[12-14].其中,为了满足X/Ku和K/Ka波段应用需求,基于三层金属表面结构提出了一种三通带FSS,实现了较宽的工作带宽和稳定的频率响应,但是第一通带和第二通带均包含单一传输极点,无法形成平坦通带[12].Lou等[13]设计了一种应用于X、K和毫米波三个波段的FSS,仅第三通带实现了平坦响应；随着入射角度的增加,出现了多处栅瓣效应.Yan等[14]基于多层金属方环结构设计了一种三通带FSS,实现了良好的角度稳定性,也实现了两个二阶通带响应；但是,在TM极化模式下,随着入射角度的增加,出现了栅瓣效应.

为了解决每个通带的平坦问题,具有二阶响应的三通带FSS被研究人员提出[15-17].其中,Tao等[15]基于阶梯变换和均匀阻抗谐振器结构,采用多层印刷电路板技术实现了一种新型的三通带三维(three-dimensional,3D)FSS,但是,该3D FSS仅能够工作在单极化模式,而且带外没有任何传输零点,其频率选择性能一般.Zhou等[16]运用不同大小的圆形金属贴片,借助中间层的圆形孔径耦合,设计了一种双极化、二阶三通带FSS,但是也可以发现带外没有任何传输零点,其频率选择性能需要进一步提升,此外,由于单元电尺寸很大,导致其角度稳定性较差.Gao等[17]基于双层堆叠耦合和同心的三方环阵列提出了一种双极化、二阶三通带FSS,且在每个通带的右侧带外引入了两个传输零点,其频率选择性能得到了提高；但是,在低频通带左侧带外无传输零点,带外抑制性能不好,同时在高频处出现较为严重的栅瓣效应,此外,其单元电尺寸较大.

综上所述,目前文献所提出的三通带FSS无法保证同时实现平坦通带、高频率选择性、良好角度稳定性、双极化等性能,在一定程度上限制了其实际工程应用.

本文基于多层方形介质筒结构设计和分析了一种高选择性三通带3D FSS.由于单元结构具有旋转对称性,因此很容易实现双极化功能.当以0°、30°和60°角度入射时,该3D FSS具有稳定的频率响应.此外,还具有小通带比和较小的单元尺寸.

1 周期单元结构与滤波响应

图1给出了本文所设计的高选择性三通带3D FSS单元结构.

从图1a可以看出,该FSS的单元结构由高度均为h的四层方形介质筒组合而成,其中介质筒1内表面刻蚀一个金属方筒,介质筒2、3、4内表面均刻蚀两个相同的金属方环,且这三个介质筒中金属方环的间距分别为s1、s2和s2.两个相邻单元结构之间构成平行板波导(parallel plate waveguide,PPW)路径,记为路径1；介质筒1内表面金属方筒和刻蚀两个金属方环的介质筒2构成第一个方同轴波导(square coaxial waveguide,SCW)路径,记为路径2；介质筒2内表面两个金属方环和刻蚀两个金属方环的介质筒3构成第二个SCW路径,记为路径3；介质筒3内表面两个金属方环和刻蚀两个金属方环的介质筒4构成第三个SCW路径,记为路径4.可以发现,在路径2、3、4中均形成了上下两个相同的短SCW谐振单元,具体如图1b所示.

图1c给出了该FSS单元结构的俯视图,单元结构的周期大小为p,介质筒1、2、3、4的内边长分别为a、b、c、d.此外,介质筒1的相对介电常数为εr1,介质筒2、3、4的相对介电常数均为εr2.

图1 高选择性三通带3D FSS单元结构Fig.1 Unit cell of highly-selective tri-passband 3D FSS

表1列出了高选择性三通带3D FSS的设计参数，图2给出了该3D FSS在表1所示参数下运用高频结构仿真器(high frequency structure simulator,HFSS)计算得到的传输系数和反射系数.由图2可知,该FSS可以实现三个二阶通带响应.在第一通带内包括两个传输极点fp1=3.34 GHz和fp2=3.39GHz,在第二通带内包括两个传输极点fp3=4.41 GHz和fp4=4.45 GHz,在第三通带内包括两个传输极点fp5=5.35 GHz和fp6=5.49 GHz.同时,在三个通带的两边各引入一个传输零点,分别为：fz1=3.01 GHz，fz2=3.55 GHz，fz3=4.16GHz，fz4=4.61GHz，fz5=5.07GHz和fz6=6.07 GHz,实现了每个通带的双边陡降特性,大幅度提升了该FSS的频率选择性能.第一、二、三通带的3 dB带宽分别为180 MHz(3.27～3.45 GHz)、150 MHz(4.35～4.5 GHz)和360 MHz(5.26～5.62 GHz),对应的3 dB相对带宽分别为5.36%、3.39%和6.62%.第二通带与第一通带、第三通带与第二通带的通带比分别为1.32和1.23.此外,该FSS单元结构的电尺寸p×p×t为0.134λ0×0.134λ0×0.123λ0,其中λ0为第一通带中心频率3.36 GHz处的自由空间波长.

表1 高选择性三通带3D FSS的设计参数Tab.1 Design parameters of highly-selective tri-passband 3D FSS

图2 高选择性三通带3D FSS传输系数和反射系数的HFSS仿真结果Fig.2 Simulated transmission and reflection coefficients of highly-selective tri-passband 3D FSS by HFSS

2 工作原理分析

为了进一步弄清该3D FSS的工作原理,下面对传输零极点处的电场矢量分布进行研究.

2.1 传输极点处的电场矢量分布

图3给出了六个传输极点处的电场矢量分布图.由图3a可以发现,在传输极点fp1处,当电磁波照射到该FSS时,主要是路径2被激励起来,电场矢量主要分布在这个路径中,电场矢量在两个短SCW中达到了较大值,而在其他区域内变得很弱,同时这两个短SCW中的电场矢量方向是相同的,因此可以得知传输极点fp1是由路径2中上下两个短SCW端面提供的方形槽谐振单元之间电磁耦合的偶模产生,此时路径2中心位置处等效于一个理想磁壁.图3b给出了传输极点fp2处的电场矢量分布图.由图可知,在fp2处的电场矢量也主要分布在路径2中,该路径中上下两个短SCW的电场矢量具有相同的幅度和相反的方向,因此,可以判断传输极点fp2是由路径2中上下两个短SCW端面提供的方形槽谐振单元之间电磁耦合的奇模产生,此时路径2中心位置处等效于一个理想电壁.同理,fp3、fp4分别是由路径3中上下两个短SCW端面提供的方形槽谐振单元之间电磁耦合的偶模和奇模产生,如图3c和图3d所示.fp5、fp6分别是由路径4中上下两个短SCW端面提供的方形槽谐振单元之间电磁耦合的偶模和奇模产生,如图3e和图3f所示.

图3 传输极点处的电场矢量分布图Fig.3 Distributions of electric field vector at the frequencies of transmission poles

综上所述,第一、二、三通带分别由路径2、3、4中两个短SCW之间的电磁耦合产生.每个短SCW端面的方形槽谐振单元本质上能提供一个传输极点,在电磁耦合作用下,单一的谐振模式耦合分裂为奇模和偶模两种模式,相应产生两个传输极点,从而形成一个二阶通带.路径2、3、4中方形槽谐振波长近似等于对应路径端面的方形槽周长,其谐振频率决定了每个通带的中心频率.由于路径2中方形槽周长最大,其谐振频率最低,因此提供了低频段的第一个通带；由于路径4中方形槽周长最小,其谐振频率最高,因此提供了高频段的第三个通带；同理,路径3提供了第二通带.

2.2 传输零点处的电场矢量分布

图4给出了六个传输零点处的电场矢量分布图.由图4a可以的看出,路径1和处于偶模状态下的路径2同时被激励.同时,路径1和路径2中电场矢量在出射端方向相反,此时相位180°反相产生了传输零点fz1.

从图4b可以看出,在fz2处,路径1、处于奇模状态下的路径2和路径3同时被激励,在路径2、3中短SCW末端由于不连续性作用发生了反射,且路径2与路径1、路径3中电场矢量在出射端方向相反,相位180°反相产生了传输零点fz2.

由图4c可知,在fz3处,路径1、处于偶模状态下的路径3和路径4同时被激励.同时,路径3与路径1、路径4中电场矢量在出射端方向相反,此时相位180°反相叠加产生了传输零点fz3.

由图4d可以发现,在fz4处,四条路径均被激励,在路径2、3、4中短SCW末端由于不连续性作用发生了反射,且路径3与路径1、路径4中电场矢量在出射端方向相反,此时相位180°反相叠加产生了传输零点fz4.

由图4e可以看出,电场矢量主要分布在路径1、路径3和路径4中,且处于偶模状态下的路径4和路径1中电场矢量在出射端方向相反,相位180°反相产生了传输零点fz5.

图4 传输零点处的电场矢量分布图

由图4f可以看出,四条路径均被激励,在路径2、3、4中短SCW末端由于不连续性作用发生了反射.同时处于奇模状态下的路径4与路径1中电场矢量在出射端方向相反,此时,相位180°反相产生了传输零点fz6.

3 极化独立性和角度稳定性

由于所设计的3D FSS单元结构具有旋转对称性,因此能够实现双极化功能.运用HFSS软件仿真得到了该3D FSS在横向电场(transverse electric,TE)和横向磁场(transverse magnetic,TM)两种极化模式下的频率响应.由图5可知,两种模式下的频率响应基本相同,证明了该3D FSS具有良好的双极化功能.

图5 TE和TM两种极化模式下该3D FSS的频率响应

图6给出了表1所示设计参数的3D FSS在TE和TM两种模式下以不同角度入射时的传输系数HFSS结果曲线.由图6可以发现,所设计的三通带3D FSS在0°～60°入射角度范围内具有十分稳定的频率响应.如图6a所示,在TE极化模式下,随着入射角度的增大,通带的工作带宽会随之发生较小幅度的减小,同时通带内插入损耗也随之增大.主要原因在于,当入射角θ增大时,其端口的波阻抗ZTE=Z0/cosθ将会随之增大[18],一个较大的波阻抗将会导致该FSS内的谐振器具有较高的品质因数.如图6b所示,在TM极化模式下,随着入射角度的增大,其端口的波阻抗ZTM=Z0cosθ将会随之减小[18],一个较小的波阻抗将会导致该FSS内的谐振器具有较低的品质因数,从而导致通带内插入损耗随之增大.

图6 不同入射角度下该3D FSS传输系数的对比曲线

4 性能对比分析

表2给出了所提出的3D FSS与现有相似特性的FSS的性能对比.由表2可知,本文所设计的FSS具有以下优势：

表2 与现有相似特性的FSS对比Tab.2 Comparison of the FSS designs with similar characteristic

1) 具有多个传输零极点,形成了3个二阶平坦通带,并且每个通带两边均引入了一个传输零点,实现了每个通带的双边陡降特性,具有良好的频率选择性能；

2) 能够实现双极化；

3) 在0～60°范围内具有良好的角度稳定性；

4) 相邻通带具有小通带比；

5) 具有较小的单元结构.

5 结论

本文实现了一种高选择性三通带3D FSS,通过SCW路径中两个相同的短SCW谐振单元的电磁耦合作用,原有单一的方形槽谐振模式耦合分裂为奇模和偶模两种模式,形成三个二阶通带,并且利用不同路径中电磁波相位反相叠加,在每个通带两边各引入一个传输零点,实现了双边陡降特性,提高了其频率选择性能.通过分析传输零极点处的电场矢量分布,阐明了该FSS的工作原理.由HFSS仿真分析可知,该FSS具有双极化、高选择性、良好的角度稳定性、小通带比以及较小的单元尺寸,可以满足卫星通信对于多频应用的需求.此外,该3D FSS可以运用印刷电路板(printed circuit board,PCB)技术加工和组装而成.

致谢：本文得到校博士工作室项目、射频集成电路与系统校级创新团队项目(JSEIYC2020002)的资助，在此表示感谢.