一种窄带三维频率选择表面

    董进 于正永

    

    

    

    摘要：提出了一种双极化窄带三维频率选择表面。该频率选择表面由若干个相同的单元结构周期排列构成，每个单元结构包括一个方形金属筒和一个方形介质块。方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字，中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。单元结构的上下表面谐振结构通过中间层矩形孔径发生电磁耦合作用，产生了两个传输极点，形成了平坦二阶通带响应。此外，在通带右侧产生了两个传输零点，频率选择和带外抑制性能得到了提升。同时该频率选择表面在双极化模式下具有良好的角度稳定性。

    关键词：窄带;频率选择表面;带通;三维;耶路撒冷金属十字

    中图分类号：TN713? ? ? ?文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）17-0212-03

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    近年来，频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）得到了广大学者的关注和研究，广泛应用于天线副反射器、天线罩、吸波材料以及电磁屏蔽等[1-4]。对于傳统二维（Two-Dimensional，2D）FSS来说，存在无法构建多个谐振模式，传输零极点数量不足、多层堆叠FSS厚度及电尺寸较大、单层FSS带宽不宽等方面缺点。后来研究人员提出了三维（Three-Dimensional，3D）FSS的概念，3D FSS单元结构增加了一个维度的设计自由度，更便于构建多模谐振腔。新加坡南洋理工大学沈忠祥教授团队最早提出了3D FSS概念[5-7]，他们基于屏蔽微带线结构设计了一系列带通3D FSS，以上问题得到了有效的改善，但这些结构只能工作于单极化模式，限制了它们的实际应用。也有研究人员基于过孔的金属板加载介质谐振器，借助电磁耦合作用，实现了具有宽频特性的带通3D FSS，但是通带两侧没有任何传输零点，其频率选择性能和带外抑制性能一般[8-10]。近两年，本文团队借助方形波导腔加载介质谐振器的组合结构提出了一系列高性能的3D FSS[11-16]，由于其单元结构的对称性设计，因此很容易实现双极化性能，同时通过改变金属谐振单元形状实现了椭圆响应、宽带外抑制、双频/多频等性能。为了适应窄带通信应用场景需求，本文设计一款具有窄带特性的3D FSS，通过仿真验证，所提出的3D FSS具有高的频率选择性、宽的带外抑制、良好的角度稳定性以及双极化等优势。

    1 3D FSS单元设计与仿真

    图1为所提出的窄带带通频率选择表面的单元结构示意图。其中，图1（a）为单元结构透视图，每个单元结构由一个方形金属筒和一个方形介质块（其相对介电常数为4.4）组合而成。方形介质块的上下表面刻有一对相同的耶路撒冷金属十字、中间层为带有四个相同矩形孔径的方形金属板。图1（b）为单元结构的上下表面示意图，图1（c）为单元结构的中间层示意图。所提出的FSS单元结构的基本参数如表1所示。

    图2表示在电磁波垂直入射时所提出的3D FSS的传输系数和反射系数HFSS仿真曲线。由图可以发现，产生的两个传输极点分别为6.36GHz和6.42GHz，由此形成了一个平坦通带，通带中心频率为6.39GHz，其通带3dB相对带宽仅为2.8%。同时在右侧带外产生了两个传输零点（分别位于7GHz和8.2GHz处），右侧阻带20dB带宽为6.4GHz（6.6～13GHz），相对工作带宽为65.3%，其频率选择性能得到了很大程度提高。其单元结构的电尺寸大小为0.2λ0×0.2λ0×0.03λ0（λ0为自由空间波长）。由此可知，所提出的3D FSS具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制以及较小的电尺寸。

    2 3D FSS极化特性和角度稳定性

    很显然，所设计的窄带3D FSS结构具有对称性，所以很容易实现双极化功能。由图3可以发现，该3D FSS在TE和TM两种极化模式下具有相同的频率响应，也验证了所提出的3D FSS具有双极化特性。

    图4给出了所提出3D FSS在两种不同极化模式、不同入射角度条件下的传输系数HFSS仿真结果。由图4可知，在TE和TM两种极化模式下，电磁波以0°，30°，60°角度入射时具有较好的角度稳定性。但也可以发现，在TM模式下，随着入射角度的不断增大，在通带右侧带外发生了栅瓣效应，高频处的传输零点随入射角度的增加，往低频移动，导致带外抑制性能降低和阻带带宽减小，但是，通带性能未受到影响。

    3 结束语

    提出了一种双极化窄带带通3D FSS结构。由于单元结构的上下表面谐振结构通过中间层孔径发生电磁耦合作用，产生了两个传输极点，形成了平坦通带。同时，在通带右侧带外引入了两个传输零点，形成了高的频率选择性和宽的带外抑制性能。在TE/TM双极化条件下，入射角度达到60°时仍具有良好的角度稳定性。相比于现有窄通FSS来说，该3D FSS具有窄带特性、高的频率选择性、宽的带外抑制、良好的角度稳定性以及双极化等明显优势。

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    【通聯编辑：朱宝贵】