頻率選擇表面的基本原理和影響因素分析1頻率選擇表面的基本原理頻率選擇表面（FrequencySelectiveSurface），簡稱為FSS，它是一種在空間中實現(xiàn)頻率選擇的空間濾波器，對于電磁波具有良好的頻率選擇性。FSS通常是將孔徑型的諧振單元或金屬貼片單元按照二維結(jié)構(gòu)排列在金屬介質(zhì)表面，組成一個無限大的周期型的陣列結(jié)構(gòu)。周期單元可分為縫隙型和貼片型，縫隙型FSS又叫波導(dǎo)型FSS或者開槽型FSS，它是在金屬板上開一些周期性排列的槽，呈現(xiàn)出帶通特性；另一種是貼片型FSS又叫介質(zhì)型FSS，它是在介質(zhì)表面周期性的標(biāo)貼上金屬貼片單元，呈現(xiàn)帶阻特性。本文研究的就是具有帶阻特性的貼片單元。就結(jié)構(gòu)來看，縫隙型FSS和貼片型FSS是互補的，如果忽略金屬介質(zhì)對FSS的影響，縫隙型FSS和貼片型FSS在功能上也具有互補的頻率選擇特性。例如帶通頻率選擇表面，是通過合理的單元設(shè)計以及周期性結(jié)構(gòu)的排列方式設(shè)計，可以在電磁波傳輸過程中實現(xiàn)良好的選擇性，對通帶內(nèi)的電磁波表現(xiàn)出全通特性，對通帶外的電磁波表現(xiàn)出全反射的特性。根據(jù)周期單元的形狀樣式可分為中心連接型(CenterConnectionType)、環(huán)型(LoopType)>實心型(SolidType)、組合型(CombinationType),分別如圖2.1所示。(a)中心連接型FSS單元(b)環(huán)型FSS單元(c)實心型FSS單元(d)組合型FSS單元圖2.1FSS單元分類a類是中心連接型，常見的單元形狀有十字形單元、Y型單元、耶路撒冷十字形單元等。該結(jié)構(gòu)通常用來設(shè)計帶阻型FSS。中心連接型單元的物理尺寸通常比環(huán)形結(jié)構(gòu)單元大，從而會降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

b類為環(huán)形單元，常見的單元形狀有六邊環(huán)、十字環(huán)、圓環(huán)、方環(huán)等。一般來說，中心連接型單元結(jié)構(gòu)的諧振尺寸大約為L/2，而環(huán)形單元約為L/4到L/3，因此在同一諧振頻率下,中心連接型的結(jié)構(gòu)會比環(huán)形單元的尺寸要大，所以環(huán)形單元具有更好的極化和角度穩(wěn)定性。

c類為實心單元，常見的形狀單元有圓形板、矩形板、六邊形板等。此類型是被最早被用來研究的頻率選擇表面單元，因為其結(jié)構(gòu)簡單。雖然它的內(nèi)部是實心的，但是由于該單元周期長度較大，容易在諧振時產(chǎn)生柵瓣現(xiàn)象，因此該單元并不是諧振結(jié)構(gòu)的最好的選擇。在實際設(shè)計中，會將其與其他類型的單元聯(lián)合設(shè)計，形成級聯(lián)單元。

d類為組合單元，主要是上述單元與其他類型單元的組合，根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行組合變形，用以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

此外，根據(jù)頻率選擇表面的傳輸性能，可以分為帶通型FSS、帶阻型FSS、低通型FSS和高通型FSS。根據(jù)FSS的層數(shù)不同，可以分為單層FSS和多層FSS，其中多層FSS可以看作是多個相同單層FSS的級聯(lián)。頻率選擇表面在本質(zhì)上是一個空間濾波器，它與用電容、電感元件組成的濾波器在目的上是一致的，都是能夠傳輸某一頻段的信號，同時能反射其他頻段的信號，但濾波機理有很大的差別。傳統(tǒng)的濾波器作用的是電路中的電流，而頻率選擇表面是場濾波器，是三維空間上的濾波器，能夠反射或者透射電磁波，需要同時分析透射波和反射波的幅值、相位變化等。貼片型FSS等效為LC串聯(lián)電路，如圖2.2所示；孔徑型FSS等效為LC并聯(lián)電路，如圖2.3所示。在不考慮介質(zhì)板的情況下，貼片型FSS與孔徑型FSS的特性是互補的，具有相反的頻率響應(yīng)特性。(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)等效電路圖(c)透射特性圖圖2.2貼片型FSS單元結(jié)構(gòu)(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)等效電路圖(c)透射特性圖圖2.3孔徑型FSS單元結(jié)構(gòu)當(dāng)電磁波入射到貼片型頻率選擇表面時，金屬貼片F(xiàn)SS表面上會產(chǎn)生感應(yīng)電流。也就是說，照射到FSS表面的電磁波會分成兩種狀態(tài)，一種是轉(zhuǎn)換為為可以引起電子振蕩的動能，一種透射過貼片型FSS，繼續(xù)穿過FSS進(jìn)行傳播。當(dāng)入射電磁波的頻率與頻率選擇表面的諧振頻率保持一致時，貼片型FSS會呈現(xiàn)全反射特性，使得透射系數(shù)為零；反之，當(dāng)入射電磁波的頻率與頻率選擇表面的諧振頻率不一致時,貼片型FSS的入射電磁波會全部透過FSS進(jìn)行傳播。和上述分析一樣，當(dāng)電磁波入射到孔徑型FSS時，會引起電子震蕩，并且在孔徑周圍形成感應(yīng)電流。與貼片型FSS的頻率選擇特性相反，當(dāng)入射電磁波的頻率與諧振頻率保持一致時，呈現(xiàn)全透射特性；當(dāng)與諧振頻率不一致時，透射系數(shù)會減小，同時入射電磁波會發(fā)生反射。2影響頻率選擇表面單元性能的因素能夠影響影響頻率選擇表面頻率選擇性能的因素有很多，主要因素有介質(zhì)因素，入射波特性，多屏特性，柵瓣現(xiàn)象等，下面將對部分因素進(jìn)行簡短地介紹。

從理論上來講，頻率選擇表面僅僅是金屬貼片構(gòu)成，沒有厚度，但在實際應(yīng)用中，需要一定厚度來保證機械強度。PCB工藝是當(dāng)前最常見的頻率選擇表面實物實現(xiàn)方式，具體方法是在介質(zhì)基板表面印刷一層金屬層，然后再用光刻技術(shù)將金屬層蝕刻成所需要的單元形狀。根據(jù)不同工作需求可以分為不同的介質(zhì)層加載方式，圖2.4就展示了三種制作FSS最常見的三種方式：基片單側(cè)加載貼片，基片雙側(cè)加載貼片和貼片兩側(cè)加載基片。介質(zhì)的加載會使頻率選擇表面的性能發(fā)生很大改變，所以設(shè)計時必須將加載介質(zhì)的方式的影響考慮其中。在沒有加載介質(zhì)基板的情況下，頻率選擇表面的工作帶寬會隨著入射角度的增加而減小，且工作時的諧振頻率點發(fā)生偏移，結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。為了在一定程度上獲得穩(wěn)定的工作帶寬和諧振頻率，可以通過在上加載一定厚度的介質(zhì)板來實現(xiàn)。

圖2.4三種介質(zhì)加載方式電磁波按照其極化特性可分為線極化波（電場兩垂直分量幅度相等，相位相差π），圓極化波（電場兩垂直分量幅度相等，相位相差π/2）和橢圓極化波（電場兩垂直分量幅度相位都不相等）。不同極化方式和不同入射角度的電磁波會對頻率選擇表面的傳輸特性都有很大的影響，文中所設(shè)計的FSS希望用于透射陣和反射陣天線中，因此要考慮其性能受入射角度的影響，即在理想情況下，使設(shè)計的頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)在不同角度電磁波入射時都具有良好的穩(wěn)定性，但是其設(shè)計難度也會有所增加。在設(shè)計的過程中，通常會用TE和TM兩種極化入射波來進(jìn)行分析。電場垂直于入射面稱為TE極化波，電場平行于入射面稱為TM極化波。隨著入射角度增大，F(xiàn)SS的諧振頻率與工作帶寬都會發(fā)生一定的偏移，并且在不同極化方式下這些變化趨勢也有所不同。當(dāng)TE和TM波斜入射時，兩者的空間波阻抗和隨著角度的變化會呈現(xiàn)完全相反的變化趨勢，具體可由下式表示：

ZTE=Z0/cos(θ)(2-1)

ZTM=Z0/cos(θ)