频率选择表面(学习笔记)

FSS--相关知识整理

一、基本概念

1、频率选择表面(Frequency Selective Surface ,FSS) 是一种二维周期阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器,与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。FSS 具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。

2、分类

频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型，开槽类型也叫波导类型。

贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器的；低频透射，高频反射；

开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面；低频反射，高频透射。

3、频率选择表面的应用

雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积。

卡塞哥伦天线副反射面：实现波束的复用与分离。

准光滤波器：实现波束的复用与分离。

吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料。

极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化变成圆极化的极化扭转器。

天线主面：降低带外的噪声。

4、滤波机理

图1 频率选择表面的滤波机理

频率选择表面和一般意义上的通过电容、电感组成的滤波器在目的上是一致。而滤波机理和有很大的区别（图1）。最大的区别是，一般的滤波器作用的对象是电路中的电流，而且一般滤波器我们主要关心通带的波形是不是有畸变，而对于阻带就就不必关心了。而频率选择表面是对于场的滤波器，不论是透射波还是反射波都是十分重要，不仅仅要关注其幅度、相位的变化，还要关心交叉极化和热损耗等。

A、贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。

图2 贴片类型频率选择表面的等效电路

滤波机理：

假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。

再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。

一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。

等效电路：LC串联

B、贴片类型：在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。

滤波机理：

当低频电磁波照射开槽型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。

图5-1 贴片类型频率选择表面的等效电路

图3 贴片类型频率选择表面的等效电路

从频率特性相应上看，开槽型频率选择表面是带通型频率选择表面。

等效电路：LC并联

C、贴片类型和开槽类型频率选择表面的关系：

在不考虑介质的情况下，他们是互补的，可以看出开槽类型的频率选择表面与贴片型频率选择表面相比，开槽型频率选择表面具有相反的频率响应特性。在低于谐振频率时，开槽类型的呈现感性电路特性；在高于谐振频率是呈现容性电路特性。从等效电路方法的角度来看，开槽型频率选择表面可以表述为电容电感并联的等效电路。在入射电磁波频率为谐振频率时，开槽型频率选择表面对谐振频率的电磁波是“透明”的。而贴片类型的频率选择表面恰恰相反。

二、存在的问题，设计的思路

描述FSS 频率响应特性的主要指标有中心频率、中心频率处的透过率、传输带宽等。这些特性主要取决于FSS 谐振单元的形式,单元的排布方式以及周围介质的电性能。影响这些特性的因素很多,其中入射波的极化方式与入射角度是两个重要的影响因素。

1、在FSS 的实际工程应用中,很多情况下入射波的极化方式是未知的,并且入射角度范围大,此时要采用一种对不同入射角度和极化方式性能都稳定的FSS 结构,即兼具极化和角度稳定性的FSS。

2、传统正方形栅格排布的十字单元FSS 具有结构的对称性,在正入射时具有极化稳定性,但是当入射电磁波的入射角度增大时, 谐振频率随极化方式的改变有很大的漂移,这极大地降低了FSS 的性能;另一方面十字单元和一般普通单元一样随入射角度的变化,中心频率不具备角度稳定性,漂移量很大。这是FSS 实现工程应用急需解决的问题。

同时对于FSS 极化稳定性的问题,正入射时可以选取对称单元实现极化稳定性,但是工程应用中往往涉及到大的入射角度,此时仅仅依靠单元的对称性已经不能实现结构的极化稳定性。

3、侯新宇等通过优选图形单元2Y孔单元的方法来实现FSS 对入射角度的稳定性，但Y 形单元极化稳定性不好。

4、Munk 等则是采用加载电介质的方式改善大角度入射时FSS 的传输特性，但加载电介质又往往会增加传输损耗。

三、分析的方法

沿一维或二维方向周期排列的金属贴片阵列或金属平面上的孔径阵列可实现低通、高通、带通和带阻等不同的滤波器特性, 常被称为频率选择表面(FSS)。习惯上, 低通和高通的FSS 又分别被称为感性FSS 和容性FSS。FSS 的应用几乎涉及所有的电磁波谱, 如卫星天线的频率复用、天线罩、电路模拟吸收体以及各种空间滤波器和准光频率器件等。

由于结构复杂、参数众多, FSS 的理论分析和设计非常困难。近年来已发展的一些数值方法, 如时域有限差分(FDTD )、有限元(FEM ) 以及积分方程( IE) 方法等由于计算内存占用量大、计算量大, 从而导致计算效率很低。

FSS 在入射波作用下所表现出来的物理现象,可以通过传输线理论近似, 因此根据等效电路的原理, 加以不同的极化和角度入射条件, 可将FSS 单元用相

应的电路元件来等效。从而对FSS 进行快捷的分析。形状简单的单元(带栅型、网格型、栅环型、方环型等) , 其等效电路及相关的等效参数容易确定,而且分析结果与实际吻合很好[2, 3 ]。其它几何形状的单元, 则由于等效电路参数不易直接获取而在应用中受到限制[4, 5 ]。