帶通頻率選擇表面的仿真設計.pdf

1、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)對電磁波具有頻率選擇和極化選擇特性，能夠有效的控制電磁波的傳輸和反射。頻率選擇表面對電磁波的頻率和極化方式呈現(xiàn)出空間濾波器的功能，因而在科學和工程領域具有較大的理論意義和應用價值，越來越受到研究人員的重視，成為學者們的一個研究熱點。
　　 頻率選擇表面的頻率特性主要取決于諧振單元的結構形式和組陣方式。諧振單元的結構形式包括形狀、尺寸、介質(zhì)層的厚度和層數(shù)

2、以及介質(zhì)的介電常數(shù)等。組陣方式主要有矩形柵格和斜柵格兩種。因此，F(xiàn)SS的設計屬于多參數(shù)優(yōu)化的問題。為了揭示各個參數(shù)對FSS特性（包括諧振頻率、傳輸帶寬等）的影響規(guī)律，旨在為設計FSS提供依據(jù)和規(guī)律，本文的主要工作有：
　　 1.FSS單元和介質(zhì)層尺寸的研究。仿真并得到了十字形單元的孔徑長度和諧振波長的關系以及單側和雙側加載介質(zhì)層對FSS頻率特性影響的規(guī)律。金屬屏諧振時，孔徑的尺寸大約為入/2。當介質(zhì)層厚度比較小時（<力/4），兩

3、種加載方式都是隨著加載介質(zhì)層厚度的增加諧振頻率逐漸降低。對于單側加載，隨著加載厚度的變化，該曲線圍繞f/上下波動并近似的呈現(xiàn)周期性，周期約為入/2。對于雙側加載，隨著加載厚度的變化，該曲線圍繞上下波動也近似的呈現(xiàn)周期性，周期也為入/2。
　　 2.極化不敏感單元的設計。研究了偶極子形孔徑單元對TE波和TM極化入射波頻率特性的區(qū)別，提出了修正諧振孔徑或振子尺寸設計極化不敏感FSS單元的方法，所設計的FSS對不同極化的入射波具有穩(wěn)定

4、的傳輸特性。針對傳統(tǒng)Y形單元，給出了縮短TM波諧振孔徑尺寸和兩種延長TE波諧振孔徑尺寸的設計方法，設計了三種對極化不敏感的Y形單元，對比了不同入射角度下三種改進方法相對傳統(tǒng)設計方法的優(yōu)點，仿真結果表明修正單元的TE波和TM波諧振頻率差值的平均值比傳統(tǒng)單元減小70％。
　　 3.針對不同入射角度具有穩(wěn)定特性的FSS的設計方法。仿真了十字形單元和介質(zhì)層在不同入射角度下諧振頻率的變化曲線。由于隨著入射角度的增大，介質(zhì)層的諧振頻率是升高

5、的，為了設計對不同入射角度的入射波具有穩(wěn)定傳輸特性的FSS，所設計FSS金屬屏應當隨著入射角度的增加諧振頻率是降低的。設計FSS單元時要選擇合適的形狀和尺寸以滿足上述規(guī)律，對于設計入射角穩(wěn)定的FSS是很重要的，也是設計高性能的FSS濾波器需要注意的一點。
　　 4.設計了夾層結構的FSS，該夾層結構的FSS在大入射角度范圍（0°-75°）下對任意極化入射波都具有良好傳輸特性，并且具有較大的工作帶寬(1.4GHz)。提出了采用準互

6、補單元設計FSS的設計方法并依此改進了夾層結構FSS中的傳輸異?，F(xiàn)象。
　　 5.采用本文提出的延長TE波諧振孔徑尺寸的Y形單元設計了雙頻帶的FSS，對于不同極化的入射波具有相同的諧振頻率和工作頻帶。在兩個工作頻帶內(nèi)，對于入射角0°-60°范圍中，雙頻帶FSS對任意極化的入射波都具有良好的傳輸效果。
　　 本文的主要創(chuàng)新點是：
　　 1.提出了修正諧振孔徑或振子尺寸實現(xiàn)極化不敏感FSS單元的設計方法，可以設計對不

7、同極化的入射波具有穩(wěn)定傳輸特性的FSS。采用所提出的方法設計了三種對極化不敏感的Y形單元，仿真結果表明修正的Y形單元的TE波和TM波諧振頻率差值的平均值比傳統(tǒng)單元減小70％，證明該設計思路是可行的。
　　 2.提出了采用準互補單元設計多層FSS的設計思路，給出了采用該方法設計的準互補結構的頻率選擇表面。當入射角度在0°-60°范圍內(nèi)時，對于TE波和TM波，該設計在工作通帶內(nèi)都有良好的傳輸系數(shù)。
　　 3.設計了雙頻帶的頻