有源频率选择表面反射特性的分析

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有源频率选择表面反射特性的分析

寇松江

东南大学毫米波国家重点实验室，南京 (210096)

E-mail ：kousongjiang@

摘 要：本文使用CST 仿真分析软件，采用电抗加载的方法研究了有源频率选择表面的反射特性，分析了工作于X 频段的方环缝隙型、四腿环缝型、Y 形环缝型三种透波型FSS 结构，给出了其谐振特性与所加载电抗的变化关系。有源FSS 中的有源器件可等效为某种形式的电抗，通过电抗加载的分析，可为有源FSS 的分析与设计提供理论依据。

关键词：有源频率选择表面，电抗加载，反射系数

中图分类号：TN011

1．引言

频率选择表面（FSS ）是军事隐身技术的重要组成部分，在军事领域有着非常重要的作用。使用无源FSS 构成的装备,一旦成型，其谐振频率、工作带宽等电磁特性均无法改变，不能灵活地适应外部电磁环境的变化。使用有源FSS ，就可以克服这些缺陷。有源FSS 是指在FSS 中加入PIN 管或变容二极管等有源器件构成的FSS 结构，通过调节有源器件偏置电压或偏置电流，可改变FSS 的谐振特性[1]。从等效电路角度看，有源器件可等效为电抗，而电抗加载可以改变FSS 的谐振特性[2] [3]，因此,通过对FSS 进行电抗加载的分析,可以为有源FSS 的分析提供依据 [4]。

本文使用CST 仿真分析软件，利用电抗加载的方法研究有源FSS 。首先对文献中记载的算例进行了仿真分析，并与文献结果进行比对，证明了此种分析方法的可行性；然后分析了工作于X 频段的方环缝隙型、四腿环缝型、Y 形环缝型三种有源FSS 的谐振特性，给出了反射系数与所加载电抗的变化关系,为有源FSS 的分析提供依据。

2．仿真结果与文献的对比（圆环缝隙型有源FSS 的分析）

图1 圆环缝隙型FSS 单元结构 图2 仿真结果与文献的对比 A.E.Martynyuk 等学者对圆环缝隙单元组成的FSS 进行了电抗加载的分析[5]，圆环缝隙型FSS 单元结构如图1,该单元被印刷在厚0.102mm 的介质板上，介质板的介电常数为r ε=2.4,圆环外径r 1=4.03mm,内径r 2=3.5mm,阵列周期D x =11.43mm,D y =10.13mm, 电抗加载

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位置如图1中所示，使用平面波激励，输入电场为Y 方向。文献[5]指出了谐振特性随所加载电抗的变化规律：当使用电容加载时，谐振频率减小，当使用电感加载时，谐振频率增加，而使用小电阻加载时表现出全反射的特性，并且所加电容值越大，谐振频率越低，所加电感值越小，谐振频率越高。本文使用CST 仿真软件对这款FSS 进行了仿真分析，仿真结果与文献记载吻合，反射系数曲线如图2所示。

3．方环缝隙型有源FSS 的分析

图3 方形缝隙型FSS 单元结构 图4 方形缝隙型FSS 的反射系数 方环缝隙型FSS 单元结构如图3,该单元被周期性印刷在厚0.1mm 的介质板上，介质板介电常数r ε=2.4, D x =D y =10mm ，l 1=7.28mm ，l 2=6.28mm, 电抗加载位置如图3中所示，使用平面波激励，入射电场为Y 方向。无加载时，FSS 谐振于12GHz ，谐振波长约为缝隙的周长。使用电容C=0.05、0.10、0.15pF 加载时谐振频率降低，电容值越大，谐振频率越低；使用电感L ＝5nH 、3nH 加载时，谐振频率增大，电感值越小，谐振频率越高；使用电阻R=2Ω加载时，FSS 呈现出全反射的特性。反射系数曲线如图4所示。

4．四腿环缝型有源FSS 的分析

图5 四腿环缝型FSS 单元结构 图6 四腿环缝型FSS 的反射系数 四腿环缝型FSS 单元结构如图5所示,该单元被周期性印刷在厚0.1mm 的介质板上，介质板r ε=2.4, D x =D y =10mm ，l 1=7.94mm ，l 2=6.94mm, l 3=2mm, l 4=1mm, 电抗加载位置如图5中所示，使用平面波激励，入射电场为Y 方向。分别使用电容C=0.05、0.10、0.15pF,电阻R=2Ω，电感L ＝3nH 、5nH 加载，反射系数曲线如图6所示。从图中可看出，无加

载时，FSS谐振于11.56GHz 。当使用电容加载时，谐振频率减小，当使用电感加载时，谐振频率增加，而使用小电阻加载时，FSS表现出全反射的特性，并且所加电容值越大，谐振频率越低，所加电感值越小，谐振频率越高,谐振频率与所加电抗的变化关系与方形缝隙型FSS相似。

5．Y形环缝型有源FSS的分析

图7 Y形环缝型FSS单元结构图8 Y形环缝型FSS的反射系数

Y形环缝型FSS单元结构如图7所示,该单元被印刷在厚0.1 mm的介质板上，介质板r

ε=2.4, D x=D y=10mm, l1=3.97mm，l2=3.47mm, l3=2mm, l4=1mm, 电抗加载位置如图1中所示，使用平面波激励，入射电场沿Y方向。反射系数曲线如图8所示。无加载时，FSS 谐振于12.072GHz ，谐振波长约为缝隙的周长。分别使用电容C=0.05、0.10、0.15pF,电阻R=2Ω，电感L＝3nH、5nH加载，从图8中可看出电抗的加载改变了FSS的谐振特性，谐振特性的变化与方形缝隙型FSS相似，但在相同电抗加载时，谐振频率的变化幅度稍小。

由以上分析结果可以看到，使用电抗加载时，方环缝隙型、四腿环缝型、Y形环缝型FSS的谐振特性具有相同的变化趋势，这种谐振频率与所加载电抗的变化关系也适用于其它缝隙型FSS。我们可以从等效电路的观点来解释这种变化,缝隙型FSS可等效为并联电路, 当使用电容加载时，相当于增加了电路的总电容,因而谐振频率减小;当使用电感加载时, 相当于减小了电路的总电感,因而谐振频率增加；当使用小电阻加载时，入射端口被短路，呈现出全反射的特性。

6．结论

本文使用电磁仿真软件，分析了电抗加载的方环缝隙型、四腿环形缝隙型、Y形环缝型三种透波型FSS结构，分析结果表明：使用电抗加载可以有效地改变FSS的谐振特性。本文研究结果可为设计相关结构的电可调的有源FSS提供理论依据。

参考文献

[1] M Philippakis, C Martel, D Kemp, et al. Application of FSS structures to selectively control the propagation

of signals into and out of buildings. Technical report, ERA Technology, Cleeve road, Leatherhead, Surrey, KT22 7SA, U.K., 2004.

[2] C Mias. Frequency selective surfaces loaded with surface-mount reactive opponents. IEE Electron. Lett., vol.

39, no. 9, May 2003,pp.724-726

[3] L EPP, C CHAN and R MITTRA. The study of FSS surfaces with varying surface impedance and lumped

elements. IEEE Int. Antennas Propagation Symp. Dig., Vol. 27, 26-30 Jun. 1989 , pp. 1056-1059

[4] TK Chang, RJ Langley and EA Parker. Active frequency-selective surfaces. IEE Proc., Microw., Antennas

Propag., Vol.143, no.1, Feb. 1996, pp.62-66

[5] AE Martynyuk, JI Martinez Lopez and NA Martynyuk. IEE Electron. Lett ., vol. 41, no. 1, Jan. 2003,pp.2-4

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