雙頻帶寬通帶毫米波濾波器設計-設計應用

精品文檔-下載后可編輯雙頻帶寬通帶毫米波濾波器設計-設計應用摘要：選取Y環(huán)和Y組成的復合圖形為基本圖形單元,采用密集三角形排布方式,設計了一種密集型組合單元頻率選擇表面(FSS)結構?；谧V域法,通過重新選取新的分析單元的方法,從理論上進行了頻譜分析。分析結果表明,該FSS結構能夠實現(xiàn)雙頻的寬通帶特性,并且具有很好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。

1引言

由于周期結構可以控制電磁波的傳輸，近幾年周期結構的物理性質和應用得到了人們的極大關注，比如頻率選擇表面（FSS）[1]和光子帶隙材料[2]。頻率選擇表面可以作為空間濾波器，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。它是由周期性排列的金屬貼片單元或金屬屏上周期性的開孔單元構成的一種二維周期陣列結構。因其具有特定的頻率選擇作用而廣泛地應用于微波[3]、紅外直至可見光波段[4]。

隨著對FSS研究的深入，研究范圍也越來越廣，涉及到介質加載的FSS、非常規(guī)單元FSS、非常規(guī)排列FSS、雙屏FSS等[5]。如何實現(xiàn)FSS的多通帶和寬頻帶的頻率響應特性也成為研究的熱點[6]。

單元周期大小對FSS的傳輸帶寬的影響很大[1]，因此我們可以通過調整單元之間的間距來調整兩個通帶的帶寬。Y環(huán)和Y縫單元為FSS結構中常用的單元[7]，本文通過將兩者組合，以組成的復合圖形為基本圖形單元，并且采用密集型的單元排布方式，設計了一種組合單元密集型FSS結構。頻譜分析結果表明，此結構是一種同時具有雙頻和寬通帶特性的毫米波濾波器，并且濾波特性對于不同的極化方式和不同的入射角度具有較好的穩(wěn)定性。這些特性在航天航空以及多頻段地面天線站衛(wèi)星通訊領域有重要的應用[8]。因此，對這種組合單元密集型FSS傳輸特性的研究具有十分重要的理論意義和應用價值。

FSS的理論分析方法很多，有B.A.Munk和R.J.Luebbers等人的模式匹配法[9]、T.K.Wu和R.Mittra等人的譜域分析法[10]、E.A.Parker和J.C.Vardaxoglou等人的等效電路法[11]等。本文采用譜域法對組合單元密集型FSS結構進行分析。

2理論分析

利用譜域法分析孔徑型FSS結構電磁散射問題，步是把FSS的散射場及入射場與屏上的表面感應磁流建立聯(lián)系。自由空間的孔徑型FSS分布在X-Y平面，首先建立單個周期單元的積分方程，然后修改為整個周期陣列的積分方程。

如圖1所示為組合單元FSS結構的單元排布方式，單元以Dy和Ds為周期進行排布，兩個周期方向的夾角為θ，此時每個單元的平均占有的面積為S，如表達式（1）所示。當單元以傳統(tǒng)的松散結構排布時[13]，組合單元本身就可以作為周期單元進行計算；但是對于密集型排布的FSS結構，面積為S的區(qū)域已經不能容納組合單元，因此，計算時組合單元不能作為周期單元，只能選取新的周期單元。本文選取了如圖2所示的新的周期單元，X方向周期為a，Ｙ方向周期為ｂ，見表達式（２）。

在x方向和y方向上的周期，θ是FSS兩個周期方向夾角，對于新選定周期單元θ=90°。對于有介質加載的情況，只需將自由空間的格林函數換成有介質加載時的格林函數即可。用矩量法求解方程（6），基函數選用子域基函數中的Rooftop函數[12]，就可以求出等效磁流M，進而可以求出反射和透射系數。

3數值結果與分析

在1-60GHz的寬頻段內，針對TE入射波計算組合單元密集型FSS結構傳輸系數，步長1GHz。為了與傳統(tǒng)松散FSS結構進行比較，選取向同的組合單元，相同的尺寸參數，對松散與密集型排布的兩種FSS結構進行了計算。參數取值分別為（如圖3）：支撐介質襯底厚度為0.0254mm,介電常數為3，電介質的損耗正切值為0.008；Y環(huán)單元的臂寬W1=0.5mm，臂長L1=1.4mm；Y縫的臂寬為W3=0.1mm,臂長L3=1.2mm；Y環(huán)縫寬為（W1-W2）/2=0.1mm；密集型排布時的周期a=3.464mm,b=2mm,松散排布時的周期Dx=3.464mm，Dy=3mm。

圖4為電磁波正入射時兩種FSS結構的頻譜特性曲線。從圖4和表1可以明顯地看出，組合單元能夠給出多通帶的頻率響應特性，并且通帶的諧振頻點可以由組合單元中的獨立單元決定[11]；而密集型的排布結構由于單元之間的相互耦合作用加強，可以使得兩個通帶的帶寬都變寬。與傳統(tǒng)的松散結構相比，個通帶-3dB寬度由2.9GHz增大到12.3GHz,第二個通帶的-3dB帶寬由原來的7.7GHz變寬為13.2GHz，同時與松散結構相比較，諧振頻點漂移量不大，個通帶諧振點向低頻漂移2GHz，第二個通帶諧振點向高頻漂移1GHz。這種具有寬頻雙通帶的頻譜特性FSS結構可以應用于多饋源反射面天線技術。

由于實際應用很多情況下入射電磁波極化方式是未知的，并且照射在FSS結構上的角度范圍大，因此有必要研究不同入射角度和極化方式下FSS結構頻譜特性。圖５給出了密集型FSS結構在ＴＥ、ＴＭ兩種不同極化方式下0度和45度入射角時的頻率響應特性曲線，可以明顯地看出，兩個寬頻通帶具有較好的極化穩(wěn)定性和角度穩(wěn)定性。

4結論

本文對Ｙ環(huán)和Ｙ孔組合，給出了一種具有雙通帶特性的組合單元頻率選擇表面設計。同時應用單元密集型排布的方法，展寬了兩個通帶。采用劃分新的周期單元的方法，基于譜域法