帶阻頻率選擇表面的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　頻率選擇表面 (FSS)是二維周期陣列結(jié)構(gòu)，它由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。這種表面可以在單元諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射(貼片型)或全傳輸特性(孔徑型), 分別稱為帶阻或帶通FSS。實(shí)際的帶阻段是由一層或多層被介質(zhì)層分開的FSS貼片層組成。為了FSS的頻率響應(yīng)相對(duì)于入射角和極化的穩(wěn)定性，金屬貼片層通常鑲嵌在多層介質(zhì)層里。另外，兩層或多層FSS貼片層背靠背疊加在一起可以產(chǎn)生很好的通帶特性(平坦的通帶，陡降的邊帶)。

　　2 帶阻頻率選擇表面的設(shè)計(jì)

　　通常的帶阻濾波器是由兩層FSS金屬層和中間的介質(zhì)層組成。中間的介質(zhì)片決定了傳輸曲線通帶的平坦性，F(xiàn)SS金屬層決定了傳輸曲線的帶寬和諧振頻率。介質(zhì)片的厚度和介電常數(shù)非常重要。介質(zhì)片的厚度典型的被取在0.5

,

是阻帶中心的波長(zhǎng)。兩個(gè)FSS層之間的介質(zhì)層提高了帶阻濾波器相對(duì)于入射角的穩(wěn)定性。盡管從穩(wěn)定性的角度看，介電系數(shù)的值越高越好，但是高的值也引入了高的傳輸損耗。 這樣，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，必須對(duì)介電系數(shù)的取值做綜合的考慮。

　　本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)FSS結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)信號(hào)在GPS & DCS1800移動(dòng)通信頻段并且拒絕在更高頻段的信號(hào)。圖1出示了設(shè)計(jì)出的頻率選擇表面的幾何形狀和構(gòu)型。

　　它包括兩層被一片泡沫墊片隔開的FSS。圓形環(huán)狀的單元塊形狀被選擇因?yàn)樗暮妙l帶穩(wěn)定性。FSS金屬層被嵌在介電系數(shù)

為3.5損耗因數(shù)為 0.0026的聚酰亞胺膜層上。泡沫墊片的厚度被取接近0.5

=

，那兒，F(xiàn)SS的諧振頻率為

，

。此帶阻濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程將用史密斯圓圖和傳輸線理論進(jìn)行分析。

　　圖1 兩層圓形FSS結(jié)構(gòu)

　　3 用史密斯圓圖和傳輸線理論分析和設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)從一層FSS開始，它由一片圓環(huán)形FSS金屬層嵌在一層介質(zhì)層構(gòu)成。介質(zhì)層的介電系數(shù)為3.5，損耗因數(shù)為0.0026。結(jié)構(gòu)被仿真軟件Ansoft DesignerTM 分析和設(shè)計(jì)。圖2(a)出示了一層FSS在1GHz到12GHz頻段上的阻抗，相應(yīng)的傳輸和反射頻率響應(yīng)也就是

和

出示在圖2(b)。一層FSS的傳輸線等效電路和相應(yīng)的公式出示在圖2(c)。為了比較，在圖2(a)中5個(gè)點(diǎn)被標(biāo)注，分別代表通帶在1GHz, 2GHz, 阻帶在5GHz、7GHz和9GHz?？梢杂^察到導(dǎo)納軌跡

　　圖2(a) 一層FSS的導(dǎo)納軌跡

　　(b)

　　圖2(b) 一層FSS的

和

　　圖2(c) 一層FSS的 傳輸線等效電路和公式

　　位于電導(dǎo)等于1的圈里，暗示正交導(dǎo)納的實(shí)部等于空氣的導(dǎo)納(也就是

=1/377 mhos)，這也可以從方程(1.2)和(1.3)獲得。從圖2(a)可以觀察到反射系數(shù)在9GHz時(shí)

，這和圖2(b)中在9GHz時(shí)

是一致的。

　　圖3出示了額外的一層厚度為25.4mm的墊片加到一層FSS結(jié)構(gòu)上的結(jié)果。比較圖3(a)和圖2(a)，可以看到在1GHz只有小的變化，在2GHz導(dǎo)納值旋轉(zhuǎn)1200。這可以從方程(2.2)得到解釋。頻率在7GHz和9GHz的點(diǎn)變化到了導(dǎo)納圖的邊緣位置。暗示著在這些頻率點(diǎn)有高的反射系數(shù)，這也可以從圖3(b)看出。第二層FSS被加到墊片上，其結(jié)果顯示在圖4中。從圖4可以看出，高頻都集中在導(dǎo)納圖的左邊，并且大部分的頻率點(diǎn)都集中在表的邊緣，這意味著隨著第二層FSS的加入反射頻帶加寬了。

　　圖3(a) 一層FSS加一層墊片的導(dǎo)納軌跡

　　圖3(b) 一層FSS加一層墊片的 s11 和 s21

　　圖3(c) 一層FSS加一層墊片的傳輸線等效電路

　　4 結(jié)論

　　本論文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻FSS結(jié)構(gòu)允許通過(guò)GPS & DCS1800信號(hào)，拒絕更高的頻率信號(hào)。兩層FSS，中間被泡沫墊片分開的結(jié)構(gòu)被引導(dǎo)設(shè)計(jì)，并且通過(guò)仿真軟件模擬得出頻率響應(yīng)。FSS結(jié)構(gòu)給予了史密斯圓圖和傳輸線理論的分析。

　　圖4(a) 兩層FSS加一層墊片的導(dǎo)納軌跡

　　圖4(b) 兩層FSS加一層墊片的 s11 和 s21

　　圖4(c) 兩層FSS加一層墊片的傳輸線等效電路