【《频率选择表面的基本原理和影响因素分析》2500字】

频率选择表面的基本原理和影响因素分析1频率选择表面的基本原理频率选择表面（FrequencySelectiveSurface），简称为FSS，它是一种在空间中实现频率选择的空间滤波器，对于电磁波具有良好的频率选择性。FSS通常是将孔径型的谐振单元或金属贴片单元按照二维结构排列在金属介质表面，组成一个无限大的周期型的阵列结构。周期单元可分为缝隙型和贴片型，缝隙型FSS又叫波导型FSS或者开槽型FSS，它是在金属板上开一些周期性排列的槽，呈现出带通特性；另一种是贴片型FSS又叫介质型FSS，它是在介质表面周期性的标贴上金属贴片单元，呈现带阻特性。本文研究的就是具有带阻特性的贴片单元。就结构来看，缝隙型FSS和贴片型FSS是互补的，如果忽略金属介质对FSS的影响，缝隙型FSS和贴片型FSS在功能上也具有互补的频率选择特性。例如带通频率选择表面，是通过合理的单元设计以及周期性结构的排列方式设计，可以在电磁波传输过程中实现良好的选择性，对通带内的电磁波表现出全通特性，对通带外的电磁波表现出全反射的特性。根据周期单元的形状样式可分为中心连接型(CenterConnectionType)、环型(LoopType)>实心型(SolidType)、组合型(CombinationType),分别如图2.1所示。(a)中心连接型FSS单元(b)环型FSS单元(c)实心型FSS单元(d)组合型FSS单元图2.1FSS单元分类a类是中心连接型，常见的单元形状有十字形单元、Y型单元、耶路撒冷十字形单元等。该结构通常用来设计带阻型FSS。中心连接型单元的物理尺寸通常比环形结构单元大，从而会降低结构的稳定性。

b类为环形单元，常见的单元形状有六边环、十字环、圆环、方环等。一般来说，中心连接型单元结构的谐振尺寸大约为L/2，而环形单元约为L/4到L/3，因此在同一谐振频率下,中心连接型的结构会比环形单元的尺寸要大，所以环形单元具有更好的极化和角度稳定性。

c类为实心单元，常见的形状单元有圆形板、矩形板、六边形板等。此类型是被最早被用来研究的频率选择表面单元，因为其结构简单。虽然它的内部是实心的，但是由于该单元周期长度较大，容易在谐振时产生栅瓣现象，因此该单元并不是谐振结构的最好的选择。在实际设计中，会将其与其他类型的单元联合设计，形成级联单元。

d类为组合单元，主要是上述单元与其他类型单元的组合，根据不同的应用需求进行组合变形，用以适应不同的工作环境。

此外，根据频率选择表面的传输性能，可以分为带通型FSS、带阻型FSS、低通型FSS和高通型FSS。根据FSS的层数不同，可以分为单层FSS和多层FSS，其中多层FSS可以看作是多个相同单层FSS的级联。频率选择表面在本质上是一个空间滤波器，它与用电容、电感元件组成的滤波器在目的上是一致的，都是能够传输某一频段的信号，同时能反射其他频段的信号，但滤波机理有很大的差别。传统的滤波器作用的是电路中的电流，而频率选择表面是场滤波器，是三维空间上的滤波器，能够反射或者透射电磁波，需要同时分析透射波和反射波的幅值、相位变化等。贴片型FSS等效为LC串联电路，如图2.2所示；孔径型FSS等效为LC并联电路，如图2.3所示。在不考虑介质板的情况下，贴片型FSS与孔径型FSS的特性是互补的，具有相反的频率响应特性。(a)结构示意图 (b)等效电路图(c)透射特性图图2.2贴片型FSS单元结构(a)结构示意图 (b)等效电路图(c)透射特性图图2.3孔径型FSS单元结构当电磁波入射到贴片型频率选择表面时，金属贴片FSS表面上会产生感应电流。也就是说，照射到FSS表面的电磁波会分成两种状态，一种是转换为为可以引起电子振荡的动能，一种透射过贴片型FSS，继续穿过FSS进行传播。当入射电磁波的频率与频率选择表面的谐振频率保持一致时，贴片型FSS会呈现全反射特性，使得透射系数为零；反之，当入射电磁波的频率与频率选择表面的谐振频率不一致时,贴片型FSS的入射电磁波会全部透过FSS进行传播。和上述分析一样，当电磁波入射到孔径型FSS时，会引起电子震荡，并且在孔径周围形成感应电流。与贴片型FSS的频率选择特性相反，当入射电磁波的频率与谐振频率保持一致时，呈现全透射特性；当与谐振频率不一致时，透射系数会减小，同时入射电磁波会发生反射。2影响频率选择表面单元性能的因素能够影响影响频率选择表面频率选择性能的因素有很多，主要因素有介质因素，入射波特性，多屏特性，栅瓣现象等，下面将对部分因素进行简短地介绍。

从理论上来讲，频率选择表面仅仅是金属贴片构成，没有厚度，但在实际应用中，需要一定厚度来保证机械强度。PCB工艺是当前最常见的频率选择表面实物实现方式，具体方法是在介质基板表面印刷一层金属层，然后再用光刻技术将金属层蚀刻成所需要的单元形状。根据不同工作需求可以分为不同的介质层加载方式，图2.4就展示了三种制作FSS最常见的三种方式：基片单侧加载贴片，基片双侧加载贴片和贴片两侧加载基片。介质的加载会使频率选择表面的性能发生很大改变，所以设计时必须将加载介质的方式的影响考虑其中。在没有加载介质基板的情况下，频率选择表面的工作带宽会随着入射角度的增加而减小，且工作时的谐振频率点发生偏移，结构失去稳定性。为了在一定程度上获得稳定的工作带宽和谐振频率，可以通过在上加载一定厚度的介质板来实现。

图2.4三种介质加载方式电磁波按照其极化特性可分为线极化波（电场两垂直分量幅度相等，相位相差π），圆极化波（电场两垂直分量幅度相等，相位相差π/2）和椭圆极化波（电场两垂直分量幅度相位都不相等）。不同极化方式和不同入射角度的电磁波会对频率选择表面的传输特性都有很大的影响，文中所设计的FSS希望用于透射阵和反射阵天线中，因此要考虑其性能受入射角度的影响，即在理想情况下，使设计的频率选择表面的结构在不同角度电磁波入射时都具有良好的稳定性，但是其设计难度也会有所增加。在设计的过程中，通常会用TE和TM两种极化入射波来进行分析。电场垂直于入射面称为TE极化波，电场平行于入射面称为TM极化波。随着入射角度增大，FSS的谐振频率与工作带宽都会发生一定的偏移，并且在不同极化方式下这些变化趋势也有所不同。当TE和TM波斜入射时，两者的空间波阻抗和随着角度的变化会呈现完全相反的变化趋势，具体可由下式表示：

ZTE=Z0/cos(θ)(2-1)

ZTM=Z0/cos(θ)