高頻率穩(wěn)定性的小型化頻率選擇表面

1 引言
　　頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，簡(jiǎn)稱FSS）是一種二維的無限大周期陣列。FSS的單元分貼片型和孔徑型兩種情況，它們對(duì)入射電磁波分別呈現(xiàn)全反射或全透射特性，可以看作是一種對(duì)入射角、極化方式、頻率等均有作用的空間濾波器。作為一種空間濾波器，F(xiàn)SS在微波和光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FSS可以用作反射面天線的副反射器實(shí)現(xiàn)反射面天線系統(tǒng)的頻率復(fù)用，作為天線覆蓋層增加微帶天線的增益，也可應(yīng)用到雷達(dá)罩上實(shí)現(xiàn)飛行器雷達(dá)設(shè)備的隱身。
　　理論上FSS是無限大的周期結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際應(yīng)用中FSS都是有限的周期陣列。FSS的無限大周期被截?cái)嗪螅厝粫?huì)對(duì)FSS的性能帶來顯著的影響。為了保持其原有的特性，通常情況下有限FSS的單元數(shù)目不能少于20×20。當(dāng)實(shí)際工作頻率很低（如2~4GHz）的時(shí)候，F(xiàn)SS單元太大，在實(shí)用尺寸之內(nèi)很難用有限的單元數(shù)來體現(xiàn)FSS的頻率選擇性。因此FSS的小型化在低頻應(yīng)用時(shí)顯得尤為重要。目前人們?cè)贔SS小型化方面已經(jīng)做了很多探索，本文設(shè)計(jì)了一種新型的小型化FSS單元，并對(duì)其入射角的頻率穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。與前人的研究成果相比本文設(shè)計(jì)的小型化FSS單元尺寸更小，有更好的選擇性和角度穩(wěn)定性。
　　2 FSS小型化單元的設(shè)計(jì)
　　根據(jù)MUNK理論對(duì)于方環(huán)單元，當(dāng)環(huán)的周長(zhǎng)約為入射波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)發(fā)生諧振。因此可以在原來方環(huán)單元的內(nèi)部空間中彎曲方環(huán)邊長(zhǎng)增加諧振長(zhǎng)度就可以在降低中心頻率的同時(shí)而不增大單元的面積。圖1為設(shè)計(jì)的小型化FSS單元的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。其中Dx，Dy為FSS的周期，它們的取值可以相等 也可以不相等，但所取數(shù)值必須滿足頻率選擇表面對(duì)陣列間距的要求以避免柵瓣的出現(xiàn)。L1和L2分別為方環(huán)孔徑的內(nèi)外邊長(zhǎng)，L3～L7為向內(nèi)彎曲的各個(gè)枝節(jié)的長(zhǎng)度。圖中枝節(jié)的長(zhǎng)度各不相同，從單元的中心向兩邊呈階梯狀排列。這樣設(shè)計(jì)的目的旨在最大限度地利用方環(huán)的內(nèi)部空間。W為孔徑的寬度，為了能夠插入更多的枝節(jié)W的取值應(yīng)盡量小，但所取數(shù)值也不能太小，否則電磁波將不再沿著彎曲孔徑傳播。
　　圖1右邊所示為該小型化FSS單元右上角的局部視圖。取L1=7.8mm，W=0.2mm，各枝節(jié)長(zhǎng)度為［L3，L4，L5，L6，L7］=［L2/2.3，L2/2.5， L2/3，L2/5，4*W］，其中L2=L1-2×W。單元間距Dx=Dy=8mm，陣列采用正方形柵格排列。介質(zhì)厚度為1mm，介電常數(shù)為2.65。圖2是該小型化FSS在電磁波垂直入射時(shí)的頻率響應(yīng)。從圖中可以看出該小型化單元FSS的中心頻率為2.9GHz，-3dB工作帶寬為2.62GHz～3.14GHz。在實(shí)際應(yīng)用中可以通過改變枝節(jié)的長(zhǎng)度來獲得需要的工作頻率。
　　
　　圖1 FSS小型化單元結(jié)構(gòu)示意圖