董進(jìn) 于正永

摘要：提出了一種雙極化窄帶三維頻率選擇表面。該頻率選擇表面由若干個(gè)相同的單元結(jié)構(gòu)周期排列構(gòu)成，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)包括一個(gè)方形金屬筒和一個(gè)方形介質(zhì)塊。方形介質(zhì)塊的上下表面刻有一對(duì)相同的耶路撒冷金屬十字，中間層為帶有四個(gè)相同矩形孔徑的方形金屬板。單元結(jié)構(gòu)的上下表面諧振結(jié)構(gòu)通過(guò)中間層矩形孔徑發(fā)生電磁耦合作用，產(chǎn)生了兩個(gè)傳輸極點(diǎn)，形成了平坦二階通帶響應(yīng)。此外，在通帶右側(cè)產(chǎn)生了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，頻率選擇和帶外抑制性能得到了提升。同時(shí)該頻率選擇表面在雙極化模式下具有良好的角度穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：窄帶;頻率選擇表面;帶通;三維;耶路撒冷金屬十字

中圖分類號(hào)：TN713? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）17-0212-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

近年來(lái)，頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）得到了廣大學(xué)者的關(guān)注和研究，廣泛應(yīng)用于天線副反射器、天線罩、吸波材料以及電磁屏蔽等[1-4]。對(duì)于傳統(tǒng)二維（Two-Dimensional，2D）FSS來(lái)說(shuō)，存在無(wú)法構(gòu)建多個(gè)諧振模式，傳輸零極點(diǎn)數(shù)量不足、多層堆疊FSS厚度及電尺寸較大、單層FSS帶寬不寬等方面缺點(diǎn)。后來(lái)研究人員提出了三維（Three-Dimensional，3D）FSS的概念，3D FSS單元結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)維度的設(shè)計(jì)自由度，更便于構(gòu)建多模諧振腔。新加坡南洋理工大學(xué)沈忠祥教授團(tuán)隊(duì)最早提出了3D FSS概念[5-7]，他們基于屏蔽微帶線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一系列帶通3D FSS，以上問題得到了有效的改善，但這些結(jié)構(gòu)只能工作于單極化模式，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。也有研究人員基于過(guò)孔的金屬板加載介質(zhì)諧振器，借助電磁耦合作用，實(shí)現(xiàn)了具有寬頻特性的帶通3D FSS，但是通帶兩側(cè)沒有任何傳輸零點(diǎn)，其頻率選擇性能和帶外抑制性能一般[8-10]。近兩年，本文團(tuán)隊(duì)借助方形波導(dǎo)腔加載介質(zhì)諧振器的組合結(jié)構(gòu)提出了一系列高性能的3D FSS[11-16]，由于其單元結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性設(shè)計(jì)，因此很容易實(shí)現(xiàn)雙極化性能，同時(shí)通過(guò)改變金屬諧振單元形狀實(shí)現(xiàn)了橢圓響應(yīng)、寬帶外抑制、雙頻/多頻等性能。為了適應(yīng)窄帶通信應(yīng)用場(chǎng)景需求，本文設(shè)計(jì)一款具有窄帶特性的3D FSS，通過(guò)仿真驗(yàn)證，所提出的3D FSS具有高的頻率選擇性、寬的帶外抑制、良好的角度穩(wěn)定性以及雙極化等優(yōu)勢(shì)。

1 3D FSS單元設(shè)計(jì)與仿真

圖1為所提出的窄帶帶通頻率選擇表面的單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖1（a）為單元結(jié)構(gòu)透視圖，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)由一個(gè)方形金屬筒和一個(gè)方形介質(zhì)塊（其相對(duì)介電常數(shù)為4.4）組合而成。方形介質(zhì)塊的上下表面刻有一對(duì)相同的耶路撒冷金屬十字、中間層為帶有四個(gè)相同矩形孔徑的方形金屬板。圖1（b）為單元結(jié)構(gòu)的上下表面示意圖，圖1（c）為單元結(jié)構(gòu)的中間層示意圖。所提出的FSS單元結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表1所示。

圖2表示在電磁波垂直入射時(shí)所提出的3D FSS的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)HFSS仿真曲線。由圖可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的兩個(gè)傳輸極點(diǎn)分別為6.36GHz和6.42GHz，由此形成了一個(gè)平坦通帶，通帶中心頻率為6.39GHz，其通帶3dB相對(duì)帶寬僅為2.8%。同時(shí)在右側(cè)帶外產(chǎn)生了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)（分別位于7GHz和8.2GHz處），右側(cè)阻帶20dB帶寬為6.4GHz（6.6～13GHz），相對(duì)工作帶寬為65.3%，其頻率選擇性能得到了很大程度提高。其單元結(jié)構(gòu)的電尺寸大小為0.2λ0×0.2λ0×0.03λ0（λ0為自由空間波長(zhǎng)）。由此可知，所提出的3D FSS具有窄帶特性、高的頻率選擇性、寬的帶外抑制以及較小的電尺寸。

2 3D FSS極化特性和角度穩(wěn)定性

很顯然，所設(shè)計(jì)的窄帶3D FSS結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所以很容易實(shí)現(xiàn)雙極化功能。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，該3D FSS在TE和TM兩種極化模式下具有相同的頻率響應(yīng)，也驗(yàn)證了所提出的3D FSS具有雙極化特性。

圖4給出了所提出3D FSS在兩種不同極化模式、不同入射角度條件下的傳輸系數(shù)HFSS仿真結(jié)果。由圖4可知，在TE和TM兩種極化模式下，電磁波以0°，30°，60°角度入射時(shí)具有較好的角度穩(wěn)定性。但也可以發(fā)現(xiàn)，在TM模式下，隨著入射角度的不斷增大，在通帶右側(cè)帶外發(fā)生了柵瓣效應(yīng)，高頻處的傳輸零點(diǎn)隨入射角度的增加，往低頻移動(dòng)，導(dǎo)致帶外抑制性能降低和阻帶帶寬減小，但是，通帶性能未受到影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種雙極化窄帶帶通3D FSS結(jié)構(gòu)。由于單元結(jié)構(gòu)的上下表面諧振結(jié)構(gòu)通過(guò)中間層孔徑發(fā)生電磁耦合作用，產(chǎn)生了兩個(gè)傳輸極點(diǎn)，形成了平坦通帶。同時(shí)，在通帶右側(cè)帶外引入了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，形成了高的頻率選擇性和寬的帶外抑制性能。在TE/TM雙極化條件下，入射角度達(dá)到60°時(shí)仍具有良好的角度穩(wěn)定性。相比于現(xiàn)有窄通FSS來(lái)說(shuō)，該3D FSS具有窄帶特性、高的頻率選擇性、寬的帶外抑制、良好的角度穩(wěn)定性以及雙極化等明顯優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Munk B A.Frequency selective surfaces[M].Hoboken，NJ，USA：John Wiley & Sons，Inc.，2000.

[2] Chaharmir M R，Shaker J.Design of a multilayer X-/ka-band frequency-selective surface-backed reflectarray for satellite applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2015，63（4）：1255-1262.

[3] Omar A A，Shen Z X.Thin 3-D bandpass frequency-selective structure based on folded substrate for conformal radome applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2019，67（1）：282-290.

[4] Deng T W，Yu Y F，Shen Z X，et al.Design of 3-D multilayer ferrite-loaded frequency-selective rasorbers with wide absorption bands[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2019，67（1）：108-117.

[5] Rashid A K，Shen Z X，Li B.An elliptical bandpass frequency selective structure based on microstrip lines[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（10）：4661-4669.

[6] Li B，Shen Z X.Three-dimensional bandpass frequency-selective structures with multiple transmission zeros[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013，61（10）：3578-3589.

[7] Rashid A K，Li B，Shen Z X.An overview of three-dimensional frequency-selective structures[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2014，56（3）：43-67.

[8] Jin C，Lv Q，Wang J L，et al.Capped dielectric inserted perforated metallic plate bandpass frequency selective surface[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65（12）：7129-7136.

[9] Jin C，Lv Q，Mittra R.Dual-polarized frequency-selective surface with two transmission zeros based on cascaded ground apertured annular ring resonators[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2018，66（8）：4077-4085.

[10] Zhang B C，Jin C，Ye X Z，et al.Dual-band dual-polarized quasi-elliptic frequency selective surfaces[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2019，18（2）：298-302.

[11] Yu Z Y，Yang X，Zhu J P，et al.Dual-band three-dimensional FSS with high selectivity and small band ratio[J].Electronics Letters，2019，55（14）：798-799.

[12] Zhu J P，Tang W C，Wang C，et al.Dual-polarized bandpass frequency-selective surface with quasi-elliptic response based on square coaxial waveguide[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2018，66（3）：1331-1339.

[13] Yu Z Y，Tang W C，Li Y H，et al.Highly-selective，closely-spaced，tri-band bandpass three-dimensional frequency selective surface[J].IEICE Electronics Express，2020，17（13）：20200153.

[14] Yu Z Y，Tang W C.A third-order bandpass three-dimensional frequency selective surface with multiple transmission zeros[J].Applied Computational Electromagnetics Society，2021，35（12）：1548-1555.

[15] Yu Z Y，Wang C.Bandpass frequency selective surface based on square waveguide structure using 3d printing technology[J].Progress in Electromagnetics Research M，2021，99：165-175.

[16] 于正永.高性能三維頻率選擇表面的設(shè)計(jì)及特性研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2020.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】