頻率選擇表面

1、FSS-相關(guān)知識(shí)整理一、基本概念1、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface ,FSS)是一種二維周期陣 列結(jié)構(gòu)，就其本質(zhì)而言是一個(gè)空間濾波器，與電磁波相互作用表現(xiàn)出明顯的帶通 或帶阻的濾波特性。FSS具有特定的頻率選擇作用而被廣泛地應(yīng)用于微波、紅外至可見光波段。2、分類頻率選擇表面有兩種：貼片類型也叫介質(zhì)類型，開槽類型也叫波導(dǎo)類型。貼片類型是在介質(zhì)表面周期性的標(biāo)貼同樣的金屬單元，一般而言是作為帶阻 型濾波器的；低頻透射，高頻反射；開槽類型是在金屬板上周期性的開一些金屬單元的槽孔，從頻率特性相應(yīng)上 看是帶通型頻率選擇表面；低頻反射，高頻透射。3、頻率選擇表面的應(yīng)用雷

2、達(dá)罩：通過安裝頻率選擇表面減少雷達(dá)散射截面積。卡塞哥倫天線副反射面：實(shí)現(xiàn)波束的復(fù)用與分離。準(zhǔn)光濾波器：實(shí)現(xiàn)波束的復(fù)用與分離。吸波材料：基于高損耗的介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)大帶寬的吸波材料。極化扭轉(zhuǎn)：折線形的頻率選擇表面是一個(gè)線極化變成圓極化的極化扭轉(zhuǎn)器。天線主面：降低帶外的噪聲。4、濾波機(jī)理圖1頻率選擇表面的濾波機(jī)理頻率選擇表面和一般意義上的通過電容、電感組成的濾波器在目的上是一致。而濾波機(jī)理和有很大的區(qū)別(圖 1)。最大的區(qū)別是，一般的濾波器作用的 對象是電路中的電流，而且一般濾波器我們主要關(guān)心通帶的波形是不是有畸變， 而對于阻帶就就不必關(guān)心了。而頻率選擇表面是對于場的濾波器， 不論是透射波 還是反射

3、波都是十分重要，不僅僅要關(guān)注其幅度、相位的變化，還要關(guān)心交叉極 化和熱損耗等。A、貼片類型：在介質(zhì)表面周期性的標(biāo)貼同樣的金屬單元。圖2貼片類型頻率選擇表面的等效電路濾波機(jī)理：假設(shè)電磁波入射從左向右入射到貼片型頻率選擇表面上。 在平行于貼片方向的電場對電子產(chǎn)生作用力使其振蕩，從而在金屬表面上形成感應(yīng)電流。這個(gè)時(shí)候,入射電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)化為維持電子振蕩狀態(tài)所需的動(dòng)能，而另一部分的能力就透過金屬絲，繼續(xù)傳播。換言之，根據(jù)能量守恒定律，維持電子運(yùn)動(dòng)的能量 就被電子吸收了。在某一頻率下，所有的入射電磁波能量都被轉(zhuǎn)移到電子的振蕩 上，那么電子產(chǎn)生的附加散射場可以抵消金屬導(dǎo)線右側(cè)的電磁波的出射場，使得透

4、射系數(shù)為零。此時(shí)，電子所產(chǎn)生的附加場同時(shí)也向金屬導(dǎo)線左側(cè)傳播， 形成發(fā) 射場。這種現(xiàn)象就是諧振現(xiàn)象，該頻率點(diǎn)成為諧振點(diǎn)。直觀的看，這個(gè)時(shí)候貼片 型頻率選擇表面就成反射特性。再考慮另一種情況，入射波的頻率不是諧振頻率的時(shí)候，只有很少的能量用 于維持電子做加速運(yùn)動(dòng)，大部分的能量都傳播到了貼片的右側(cè)。在這種情況下， 貼片對于入射電磁波而言，是“透明”的，電磁波的能量可以全部傳播。 這個(gè)時(shí) 候，貼片型頻率選擇表面就成透射特性。一般而言，貼片類型是作為帶阻型濾波器的。等效電路：LC串聯(lián)B、貼片類型：在金屬板上周期性的開一些金屬單元的槽孔。濾波機(jī)理：當(dāng)?shù)皖l電磁波照射開槽型頻率選擇表面時(shí)， 將激發(fā)大范圍的電

5、子移動(dòng)，使得 電子吸收大部分能量，且沿縫隙的感應(yīng)電流很小，導(dǎo)致透射系數(shù)比較小。隨著入 射波頻率的不斷升高，這種電子移動(dòng)的范圍將逐漸較小，沿縫隙流動(dòng)的電流在不 斷增加，從而透射系數(shù)會(huì)得到改善。當(dāng)入射電磁波的頻率達(dá)到一定值時(shí)， 槽兩側(cè) 的電子剛好在入射波電場矢量的驅(qū)動(dòng)下來回移動(dòng)，在縫隙周圍形成較大的感應(yīng)電 流。由于電子吸收大量入射波的能量， 同時(shí)也在向外輻射能量。運(yùn)動(dòng)的電子透過 偶極子槽的縫隙向透射方向輻射電場， 此時(shí)的偶極子槽陣列反射系數(shù)低，透射系 數(shù)高。當(dāng)入射波頻率繼續(xù)升高時(shí)，將導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)范圍減小，在縫隙周圍的電 流將分成若干段，電子透過槽縫隙輻射出去的電磁波減小， 因此，透射系數(shù)降低。

6、而對于在遠(yuǎn)離縫隙的金屬板上所產(chǎn)生的感應(yīng)電流則向反射方向輻射電磁場，并且由于高頻電磁波的電場變化周期的限制了電子的運(yùn)動(dòng)，輻射能量有限。因此，當(dāng)高頻電磁波入射時(shí)，透射系數(shù)減小，反射系數(shù)增大。圖5-1貼片類型頻率選擇表面的等效電路圖3貼片類型頻率選擇表面的等效電路從頻率特性相應(yīng)上看，開槽型頻率選擇表面是帶通型頻率選擇表面。等效電路：LC并聯(lián)C、貼片類型和開槽類型頻率選擇表面的關(guān)系：在不考慮介質(zhì)的情況下，他們是互補(bǔ)的，可以看出開槽類型的頻率選擇表面 與貼片型頻率選擇表面相比，開槽型頻率選擇表面具有相反的頻率響應(yīng)特性。在 低于諧振頻率時(shí)，開槽類型的呈現(xiàn)感性電路特性；在高于諧振頻率是呈現(xiàn)容性電 路特性。從

7、等效電路方法的角度來看，開槽型頻率選擇表面可以表述為電容電感 并聯(lián)的等效電路。在入射電磁波頻率為諧振頻率時(shí)，開槽型頻率選擇表面對諧振 頻率的電磁波是“透明”的。而貼片類型的頻率選擇表面恰恰相反。二、存在的問題，設(shè)計(jì)的思路描述FSS頻率響應(yīng)特性的主要指標(biāo)有中心頻率、中心頻率處的透過率、傳 輸帶寬等。這些特性主要取決于FSS諧振單元的形式，單元的排布方式以及周圍 介質(zhì)的電性能。影響這些特性的因素很多，其中入射波的極化方式與入射角度是 兩個(gè)重要的影響因素。1、在FSS的實(shí)際工程應(yīng)用中，很多情況下入射波的極化方式是未知的，并且 入射角度范圍大，此時(shí)要采用一種對不同入射角度和極化方式性能都穩(wěn)定的 FSS

8、 結(jié)構(gòu),即兼具極化和角度穩(wěn)定性的FSS2、傳統(tǒng)正方形柵格排布的十字單元 FSS具有結(jié)構(gòu)的對稱性,在正入射時(shí)具 有極化穩(wěn)定性，但是當(dāng)入射電磁波的入射角度增大時(shí)，諧振頻率隨極化方式的改 變有很大的漂移，這極大地降低了 FSS的性能；另一方面十字單元和一般普通單 元一樣隨入射角度的變化，中心頻率不具備角度穩(wěn)定性，漂移量很大。這是 FSS 實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用急需解決的問題。同時(shí)對于FSS極化穩(wěn)定性的問題，正入射時(shí)可以選取對稱單元實(shí)現(xiàn)極化穩(wěn) 定性，但是工程應(yīng)用中往往涉及到大的入射角度，此時(shí)僅僅依靠單元的對稱性已 經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的極化穩(wěn)定性。3、侯新宇等通過優(yōu)選圖形單元 2Y孔單元的方法來實(shí)現(xiàn)FSS對入射角度的

9、 穩(wěn)定性，但Y形單元極化穩(wěn)定性不好。4、Munk等則是采用加載電介質(zhì)的方式改善大角度入射時(shí)FSS的傳輸特性，但加載電介質(zhì)又往往會(huì)增加傳輸損耗。三、分析的方法沿一維或二維方向周期排列的金屬貼片陣列或金屬平面上的孔徑陣列可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等不同的濾波器特性，常被稱為頻率選擇表面(FSS)o 習(xí)慣上，低通和高通的FSS又分別被稱為感性FSS和容性FSS FSS的應(yīng)用幾 乎涉及所有的電磁波譜，如衛(wèi)星天線的頻率復(fù)用、天線罩、電路模擬吸收體以及 各種空間濾波器和準(zhǔn)光頻率器件等。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，F(xiàn)SS的理論分析和設(shè)計(jì)非常困難。近年來已發(fā)展 的一些數(shù)值方法,如時(shí)域有限差分(FDTD )、有限元(FEM )以及積分方程(IE) 方法等由于計(jì)算內(nèi)存占用量大、計(jì)算量大，從而導(dǎo)致計(jì)算效率很低。FSS在入射波作用下所表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象，可以通過傳輸線理論近似，因 此根據(jù)等效電路的原理，加以不同的極化和角