雙頻帶寬通帶毫米波濾波器設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯雙頻帶寬通帶毫米波濾波器設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用摘要：選取Y環(huán)和Y組成的復(fù)合圖形為基本圖形單元,采用密集三角形排布方式,設(shè)計了一種密集型組合單元頻率選擇表面(FSS)結(jié)構(gòu)。基于譜域法,通過重新選取新的分析單元的方法,從理論上進行了頻譜分析。分析結(jié)果表明,該FSS結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻的寬通帶特性,并且具有很好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。

1引言

由于周期結(jié)構(gòu)可以控制電磁波的傳輸，近幾年周期結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)和應(yīng)用得到了人們的極大關(guān)注，比如頻率選擇表面（FSS）[1]和光子帶隙材料[2]。頻率選擇表面可以作為空間濾波器，與電磁波相互作用表現(xiàn)出明顯的帶通或帶阻的濾波特性。它是由周期性排列的金屬貼片單元或金屬屏上周期性的開孔單元構(gòu)成的一種二維周期陣列結(jié)構(gòu)。因其具有特定的頻率選擇作用而廣泛地應(yīng)用于微波[3]、紅外直至可見光波段[4]。

隨著對FSS研究的深入，研究范圍也越來越廣，涉及到介質(zhì)加載的FSS、非常規(guī)單元FSS、非常規(guī)排列FSS、雙屏FSS等[5]。如何實現(xiàn)FSS的多通帶和寬頻帶的頻率響應(yīng)特性也成為研究的熱點[6]。

單元周期大小對FSS的傳輸帶寬的影響很大[1]，因此我們可以通過調(diào)整單元之間的間距來調(diào)整兩個通帶的帶寬。Y環(huán)和Y縫單元為FSS結(jié)構(gòu)中常用的單元[7]，本文通過將兩者組合，以組成的復(fù)合圖形為基本圖形單元，并且采用密集型的單元排布方式，設(shè)計了一種組合單元密集型FSS結(jié)構(gòu)。頻譜分析結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)是一種同時具有雙頻和寬通帶特性的毫米波濾波器，并且濾波特性對于不同的極化方式和不同的入射角度具有較好的穩(wěn)定性。這些特性在航天航空以及多頻段地面天線站衛(wèi)星通訊領(lǐng)域有重要的應(yīng)用[8]。因此，對這種組合單元密集型FSS傳輸特性的研究具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值。

FSS的理論分析方法很多，有B.A.Munk和R.J.Luebbers等人的模式匹配法[9]、T.K.Wu和R.Mittra等人的譜域分析法[10]、E.A.Parker和J.C.Vardaxoglou等人的等效電路法[11]等。本文采用譜域法對組合單元密集型FSS結(jié)構(gòu)進行分析。

2理論分析

利用譜域法分析孔徑型FSS結(jié)構(gòu)電磁散射問題，步是把FSS的散射場及入射場與屏上的表面感應(yīng)磁流建立聯(lián)系。自由空間的孔徑型FSS分布在X-Y平面，首先建立單個周期單元的積分方程，然后修改為整個周期陣列的積分方程。

如圖1所示為組合單元FSS結(jié)構(gòu)的單元排布方式，單元以Dy和Ds為周期進行排布，兩個周期方向的夾角為θ，此時每個單元的平均占有的面積為S，如表達式（1）所示。當單元以傳統(tǒng)的松散結(jié)構(gòu)排布時[13]，組合單元本身就可以作為周期單元進行計算；但是對于密集型排布的FSS結(jié)構(gòu)，面積為S的區(qū)域已經(jīng)不能容納組合單元，因此，計算時組合單元不能作為周期單元，只能選取新的周期單元。本文選取了如圖2所示的新的周期單元，X方向周期為a，Ｙ方向周期為ｂ，見表達式（２）。

在x方向和y方向上的周期，θ是FSS兩個周期方向夾角，對于新選定周期單元θ=90°。對于有介質(zhì)加載的情況，只需將自由空間的格林函數(shù)換成有介質(zhì)加載時的格林函數(shù)即可。用矩量法求解方程（6），基函數(shù)選用子域基函數(shù)中的Rooftop函數(shù)[12]，就可以求出等效磁流M，進而可以求出反射和透射系數(shù)。

3數(shù)值結(jié)果與分析

在1-60GHz的寬頻段內(nèi)，針對TE入射波計算組合單元密集型FSS結(jié)構(gòu)傳輸系數(shù)，步長1GHz。為了與傳統(tǒng)松散FSS結(jié)構(gòu)進行比較，選取向同的組合單元，相同的尺寸參數(shù)，對松散與密集型排布的兩種FSS結(jié)構(gòu)進行了計算。參數(shù)取值分別為（如圖3）：支撐介質(zhì)襯底厚度為0.0254mm,介電常數(shù)為3，電介質(zhì)的損耗正切值為0.008；Y環(huán)單元的臂寬W1=0.5mm，臂長L1=1.4mm；Y縫的臂寬為W3=0.1mm,臂長L3=1.2mm；Y環(huán)縫寬為（W1-W2）/2=0.1mm；密集型排布時的周期a=3.464mm,b=2mm,松散排布時的周期Dx=3.464mm，Dy=3mm。

圖4為電磁波正入射時兩種FSS結(jié)構(gòu)的頻譜特性曲線。從圖4和表1可以明顯地看出，組合單元能夠給出多通帶的頻率響應(yīng)特性，并且通帶的諧振頻點可以由組合單元中的獨立單元決定[11]；而密集型的排布結(jié)構(gòu)由于單元之間的相互耦合作用加強，可以使得兩個通帶的帶寬都變寬。與傳統(tǒng)的松散結(jié)構(gòu)相比，個通帶-3dB寬度由2.9GHz增大到12.3GHz,第二個通帶的-3dB帶寬由原來的7.7GHz變寬為13.2GHz，同時與松散結(jié)構(gòu)相比較，諧振頻點漂移量不大，個通帶諧振點向低頻漂移2GHz，第二個通帶諧振點向高頻漂移1GHz。這種具有寬頻雙通帶的頻譜特性FSS結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多饋源反射面天線技術(shù)。

由于實際應(yīng)用很多情況下入射電磁波極化方式是未知的，并且照射在FSS結(jié)構(gòu)上的角度范圍大，因此有必要研究不同入射角度和極化方式下FSS結(jié)構(gòu)頻譜特性。圖５給出了密集型FSS結(jié)構(gòu)在ＴＥ、ＴＭ兩種不同極化方式下0度和45度入射角時的頻率響應(yīng)特性曲線，可以明顯地看出，兩個寬頻通帶具有較好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。

4結(jié)論

本文對Ｙ環(huán)和Ｙ孔組合，給出了一種具有雙通帶特性的組合單元頻率選擇表面設(shè)計。同時應(yīng)用單元密集型排布的方法，展寬了兩個通帶。采用劃分新的周期單元的方法，基于譜域法