3毫米波段頻率選擇表面濾波器的分析

3毫米波段頻率選擇表面濾波器的分析本文對(duì)3毫米波段的帶通頻率選擇表面濾波器構(gòu)造開展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。通過仿真技術(shù)分別研究了臂長(zhǎng)、入射波角度及極化方式對(duì)其頻率響應(yīng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明該構(gòu)造對(duì)入射波極化方式的敏感性很低,并且在小于25°范圍內(nèi)頻率響應(yīng)特性非常穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)和仿真得到了基本一致的結(jié)果。

頻率選擇表面(FSS,FrequencySelectiveSurface)通常是一種二維周期性構(gòu)造,具有良好的頻率選擇特性,因此本文設(shè)計(jì)的這種新型FSS具有的優(yōu)點(diǎn)對(duì)多工器、相控陣?yán)走_(dá)表面的濾波和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前人們已經(jīng)提出并研究各種不同F(xiàn)SS構(gòu)造的傳輸特性,如方環(huán)形單元、圓環(huán)形單元、耶路撒冷十字單元、十字單元、線性偶極子單元和正方形縫隙單元等。十字單元是比較簡(jiǎn)單的構(gòu)造,它對(duì)入射角度的變化比較敏感,尤其是十字單元FSS在TM極化狀態(tài)下,入射角稍微偏離零度時(shí),頻率響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)分支。耶路撒冷十字單元在TM極化狀態(tài)下,對(duì)入射角度的變化也很敏感,入射角度的稍微偏離將大大影響耶路撒冷十字單元的頻率響應(yīng)特性,但是在TE極化狀態(tài)下,耶路撒冷十字單元的頻率響應(yīng)比較穩(wěn)定。Y型單元對(duì)極化方式和入射角度變化的敏感程度較小,但是該構(gòu)造的對(duì)稱性差。鑒于此,本文提出了類似三個(gè)偶極子組合而成的高度對(duì)稱的縫隙FSS新型構(gòu)造,開展了仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,研究了該構(gòu)造的相關(guān)參數(shù)及不同入射方式對(duì)頻率響應(yīng)特性的影響,發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造對(duì)入射角度和極化方式的變化敏感度較小,因而有效提高了FSS單元響應(yīng)特性。

1、物理模型

具有頻率選擇特性的FSS通常是在金屬覆蓋的介質(zhì)上通過在金屬上構(gòu)建周期性的構(gòu)造形成。所提出的FSS如圖1所示。圖1(a)和圖1(b)分別顯示了FSS的周期單元和陣列。在圖1(a)里顯示的FSS周期構(gòu)造是在理想平板導(dǎo)體上開三個(gè)長(zhǎng)條形孔組合而成,每個(gè)長(zhǎng)條形槽孔之間的夾角為60°,其中a為槽寬,b為槽長(zhǎng)。

圖1FSS構(gòu)造示意圖

假定平面波以一定角度入射到FSS構(gòu)造上,根據(jù)電磁場(chǎng)理論,對(duì)于偶極子單元組成的FSS,在平面波照射下,如果偶極子單元的長(zhǎng)度為入射波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),這個(gè)偶極子單元就會(huì)發(fā)生諧振,波將會(huì)反射回去。當(dāng)許多這樣的線性偶極子按一定的方式組成陣列時(shí),所有的陣元將向某一個(gè)方向上定向輻射能量,就像發(fā)生全反射一樣,此時(shí)反射的角度等于入射角度。這是因?yàn)樵谄矫娌ㄕ丈涞脚紭O子陣列時(shí),某個(gè)偶極子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流與其臨近單元上偶極子產(chǎn)生的感應(yīng)電流有一個(gè)固定的相位差,正是它的存在使得陣列中所有的偶極子單元朝一個(gè)共同的方向輻射能量,從而形成了諧振現(xiàn)象,當(dāng)很多個(gè)偶極子組合時(shí),所有偶極子長(zhǎng)度之和等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),就會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)Babinet’s原理，構(gòu)造互補(bǔ)則頻率響應(yīng)也互補(bǔ),圖1所示FSS周期單元構(gòu)造是金屬表面上開鑿的縫隙構(gòu)造,它同偶極子組合的互補(bǔ)構(gòu)造,它的頻率響應(yīng)和偶極子組合構(gòu)造的頻率響應(yīng)也互補(bǔ),所以在平面波照射該FSS構(gòu)造時(shí),發(fā)生諧振的波就會(huì)從縫隙構(gòu)造中透射過去,不發(fā)生諧振的波就會(huì)發(fā)生反射,從而實(shí)現(xiàn)頻率選擇,因而同偶極子組合構(gòu)造的特性恰好相反。在設(shè)計(jì)中,為了抑制高次諧波分量,應(yīng)盡量使槽長(zhǎng)等于半個(gè)波長(zhǎng)而非半個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

4、結(jié)論

本文對(duì)一個(gè)3mm波段頻率選擇表面濾波器的頻率響應(yīng)特性開展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了FSS構(gòu)造單元的臂長(zhǎng)、入射波的極化方式及入射角度對(duì)頻率響應(yīng)特性的影響。結(jié)果說(shuō)明當(dāng)入射波的入射角度在±25°范圍內(nèi)該FSS構(gòu)造具有穩(wěn)定的頻率響應(yīng)特