FSS单元排布对天线罩电磁波散射的影响

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基于FSS技术的天线罩电性能设计影响因素研究

天线罩不仅承载空气动力、结构强度、耐环境、结构质量等要求，还要满足天线系统对其电性能的需求。天线罩电性能的需求不仅包含透波性能，还应具
有隐身特性、陡截止特性等。频率选择表面（ＦＳＳ）是
一
的金属表面结构，可实现对电磁波的频率选择。ＦＳＳ的电磁特性主要取决于ＦＳＳ单元结构、周期性分布、
ＺＨＡＮＧＭｉｎｇｘｉｕ
ＣＡＩＲｕｆｅｎｇ
ＺＨＡＮＧＴｉａｎｘｉａｎｇ
（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｐｅｃｉａｌＭａｔｅｒｉｌｓａａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７４）
ＫｅｙｗｏｒｄｓＦｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｕｆｒａｃｅ（ＦｓＳ），Ｒａｎｄｏｍｅ，Ｅｌｅｃｔｉｒｃｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ
０引言
ＦＳＳ是一种周期性排列的具有带通或带阻特性
ＡｂｓｔｒａｃｔＦＳＳｉＳａｃｒｕｃｉａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｗａｖｅ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｎｄｓｔｅｌｔａｈｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｏｆｒａｎｄｏｍｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｉｒｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎＦＳＳｒａｎｄｏｍｅ，ｒｅｓｅａｃｈａｎｄａｎ．ａｌｙｚｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｗａｖｅ — ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｎｄｓｔｅａｌｔｈｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｔｈｅＦＳＳｒｎｄａｏｍｅ，ｓｏｍｅｗａｙｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗｒｄａｅｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗａｖｅ — ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｎｄｓｔｅａｌｔｈｐｅｆｒｏｍａｒｎｃｅ．Ｉｔｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｓｍａｌｌｕｎｉｔ．ｃｌｏｓｅｃｙｃｌｅａｎｄｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｒｅａｓｏｎａｂｌｅｒａｎｄｏｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉＳｔｈｅｋｅｙｔｏｏｂｔａｉｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｌｅｃｔｉｃｒｌａｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｉｒｃｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｏｆＦＳＳｒａｎｄｏｍｅ．

《基于M-FSS的透射阵列天线研究》范文

《基于M-FSS的透射阵列天线研究》篇一一、引言随着无线通信技术的快速发展，透射阵列天线作为实现高效率、大容量信息传输的关键设备，正逐渐成为无线通信领域的焦点。

而基于M-FSS（可编程超表面或多层频率选择表面）的透射阵列天线，更是以其独特的优势，在无线通信领域展现出巨大的应用潜力。

本文将就基于M-FSS的透射阵列天线展开研究，探讨其设计原理、性能特点以及应用前景。

二、M-FSS透射阵列天线设计原理M-FSS透射阵列天线的设计原理主要基于电磁波的传输和散射特性。

M-FSS是一种具有可编程特性的超表面结构，其通过精确控制单元结构中的电磁波传输路径和相位分布，实现对电磁波的调控和散射。

在透射阵列天线中，M-FSS作为核心元件，能够实现对电磁波的精确控制，提高天线的传输效率和辐射性能。

在透射阵列天线的设计过程中，首先需要根据应用需求确定天线的频率、带宽、增益等指标。

然后，根据这些指标设计出合理的M-FSS单元结构，包括单元尺寸、形状、材料等。

接着，通过优化算法对M-FSS单元进行优化设计，使其在特定频率下具有最佳的传输性能和辐射性能。

最后，将优化后的M-FSS单元按照一定规律排列成阵列，形成完整的透射阵列天线。

三、M-FSS透射阵列天线的性能特点基于M-FSS的透射阵列天线具有以下特点：1. 宽带性：M-FSS具有宽带传输特性，能够实现不同频率的电磁波在不同角度的散射和传输，满足宽带通信需求。

2. 高度集成：M-FSS具有高精度和高密度的特点，使得透射阵列天线可以集成更多的元件和更复杂的电路，从而提高天线的性能。

3. 灵活性：M-FSS具有良好的可编程性，可以实现对电磁波的实时调控和优化，满足不同应用场景的需求。

4. 高效率：通过精确控制电磁波的传输路径和相位分布，M-FSS透射阵列天线能够实现高效率的传输和辐射性能。

四、应用前景基于M-FSS的透射阵列天线在无线通信领域具有广泛的应用前景。

首先，它可以应用于5G及未来移动通信系统中的基站天线和终端设备中，提高通信系统的传输效率和容量。

频率选择表面在无线通信中的应用

频率选择表面在无线通信中的应用频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种由导电和非导电材料组成的平面结构，通过布置不同形状和分布的小结构单元来实现对电磁波的频率选择或滤波。

FSS具有轻薄、低成本、方便制备等优点，已经广泛应用于无线通信系统中。

一、FSS的基本结构和原理FSS的基本单元是一些电性能良好的片状元器件，由互相平行和等间隔排列而成。

这些单元被各自固定在一种介质材料的表面上，形成一个平面结构。

这个平面上的单元由电导材料或其他具有介电性的材料组成，可以通过改变单元的形状和分布，调节电磁波的穿透性能，选择特定的频率。

FSS的原理是基于一系列小电偶极子与辐射之间的相互作用来实现的。

当电波穿过FSS时，部分电波穿过FSS的通道，部分被反射，部分被吸收。

反射和吸收的电波量与FSS单元的大小、形状、距离和流动方向等因素有关。

通过改变这些因素的不同组合，FSS可以实现对不同频率电磁波的选择，并产生频率选择的效应。

二、FSS在无线通信中的应用1.微波通信FSS在微波通信系统中，可以作为一个低成本、高效率的无源光学元件来调节电磁波信号的衰减，延长电磁波信号的传输距离。

另外，FSS还可以作为微波天线的附属元器件，用于优化微波天线的性能。

例如，在机载雷达系统和微波无线电链路等应用中，FSS都具有重要的传输和接收功能。

2.毫米波通信毫米波通信是目前无线通信领域的一个热门话题。

毫米波通信是指在30-300GHz频段内实现宽带无线通信。

由于毫米波频段的传输距离相对较短，适合在狭小的空间内或近距离通信。

FSS在毫米波通信中可以用作频率选择器，用于对不同频率的毫米波进行选择和滤波，优化毫米波通信的传输质量。

3.防御领域在防御领域，FSS可以用作防御性屏蔽罩，以保护关键设备不受电磁干扰和电磁泄漏的影响。

FSS通过改变材料和单元的组合方式和布局，实现对不同频率电磁波的遮蔽和绕射，减小电磁波泄漏的危险。

复合FSS的毫米波“矩形化”通带频率选择天线罩

ｆｕｚｅｒａｄｏｍｅｂｙｕｓｉｎｇｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－
ｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００９，２１（８）：２４４６—２４４８．
ｃｒｏｓｓｓｅｃ—
［２］
ＷＡＮＧＦＷ，ＪＩＡＮＧＷ，ＨＯＮＧＴ，ｅｔａ１．Ｒａｄａｒ
ｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｗｉｄｅｂａｎｄｄａｒａｂｓｏｒｂｉｎｇ
ｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｋｉｎｄｏｆｒａｄｏｍｅｗｉｔｈｍｕｌｔｉ—ｂａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｖｅｗａｖｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｓｅｄ
ｔｉｖｅ
ＦＳＳｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｌｅｃ—
ｒａ－
ｓｕｒｆａｃｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｃｏｐｐｅｒｃｌａｄｌａｍｉｎａｔｅａｎｄｉｓｆｉｌｌｅｄｉｎｐｏｌｙｉｍｉｄｅｐｒｅｐｒｅｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｑｕａｒｔｚｆｉｂｒｅ．Ｔｈｅ
万方数据
现代雷达
ＦＳＳ谐振单元分为中心连接型、环形或实心单元。孑Ｌ径型ＦＳＳ类似高通滤波器，在此选用原则为通带带宽窄、损耗小、具有较好的陡降截止的频率特性、无寄生谐振。如图１所示，仿真不同谐振单元的透射曲线，Ｙ形单元的３ｄＢ工作带宽最窄，确定Ｙ形孔径单元结构为基本单元门ｊ。
厚度为０．０５ｍｍ，确定Ｙ形枝节长度为２．０ｍｍ，宽度为０．３
线，即为材料透射性能曲线。
基于ＦＳＳ天线罩制备流程
将加工完成的ＦＳＳ板材夹层在聚酰亚胺石英纤
维布预浸料中，３００。Ｃ高温模压成型制备天线罩。单
层ＦＳＳ厚度小于ｏ．１ｍｍ，两侧各增加两层聚酰亚胺

新型三频段FSS_夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究　

第42卷第9期2023年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.9September,2023新型三频段FSS 夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究谭㊀天,陈睿哲,张㊀泽,侯新宇(上海大学材料科学与工程学院,上海㊀200444)摘要:本文介绍了用于全球移动通信系统(GSM)屏蔽和无线局域网(WLAN)隔离的夹层玻璃,在两层玻璃中间夹嵌了一层由圆环和三极子缝隙单元组成的频率选择表面(FSS),能够抑制1.94㊁3.55和4.98GHz 频段的传输㊂采用等效电路模型对FSS 夹层玻璃的结构参数进行分析,2GHz 频点会随着圆环半径的增加而前移,三极子在镂空成为三级子缝隙后,产生两个阻带,并且三极子长度会对频点产生影响,对线宽和三级子缝隙宽度则影响不大㊂本文介绍了等效电路元件参数的提取计算过程,采用电磁仿真软件对FSS 结构的传输响应进行仿真,分析了结构的几何参数和入射角度对结构传输特性的影响㊂在入射角达到60ʎ时FSS 夹层玻璃仍具有良好的屏蔽效果㊂采用丝网印刷方法制作了实验样件,并进行了透波率和透光率测试㊂测试结果与软件仿真结果一致性良好,因此本文所设计的夹层玻璃在电磁辐射防护㊁GSM 屏蔽和WLAN 隔离等方面具有良好的应用潜力㊂关键词:频率选择表面;夹层玻璃;角度稳定性;三频段;导电银浆;电磁屏蔽中图分类号:TQ171㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)09-3359-08Design and Electromagnetic Shielding Performance of New Triple-Band FSS Laminated GlassTAN Tian ,CHEN Ruizhe ,ZHANG Ze ,HOU Xinyu(School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)Abstract :This paper presents a laminated glass for GSM shielding and WLAN isolation,a frequency selective surface(FSS)with a layer of ring and tripole slot elements embedded in the middle,capable suppress transmission in the 1.94,3.55and 4.98GHz bands.The structural parameters of FSS laminated glass were analyzed by using the equivalent circuit model.The 2GHz frequency point will move forward with the increase of the radius of the ring.After the tripole is hollowed out to become a three-level sub-slit,two stop bands will be generated,and the length of the tripole will affect the frequency point.But the line width and the third-level sub-slot width have little effect.The extraction and calculation process of the parameters of the equivalent circuit components was introduced.The transmission response of the FSS structure was simulated by using electromagnetic simulation software,and the influence of the geometric parameters of the structure and the incident angle on the transmission characteristics of the structure were analyzed.It still has a good shielding effect when the incident angle reaches 60ʎ.The experimental samples were made by screen printing method,and the wave transmittance and light transmittance tests were carried out.The test results are in good agreement with the software simulation results,so it has good application potential in electromagnetic radiation protection,GSM shielding and WLAN isolation.Key words :frequency selective surface;laminated glass;angular stability;triple-band;conductive silver paste;electromagnetic shielding 收稿日期:2023-04-18;修订日期:2023-06-12作者简介:谭㊀天(1999 ),男,硕士研究生㊂主要从事频率选择表面㊁薄膜制备技术方面的研究㊂E-mail:1033758472@通信作者:侯新宇,博士,教授㊂E-mail:267275650@ 0㊀引㊀言随着无线通信系统的发展,智能手机㊁笔记本电脑和平板电脑等便携式设备已经成为人类生活的重要组成部分,特别是在未知频段内的无线应用,这对人类健康以及对各种电气/电子设备存在潜在威胁[1]㊂最近的研究表明,Wi-Fi /WLAN 信号是污染电磁环境的因素之一,而每个国家都有特定的全球移动通信系统3360㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷(global system for mobile communication,GSM)频段(例如GSM1900:1900MHz)和无线电功率额定值(2.4GHz/5GHz)的标准,因此解决建筑房间㊁重症监护病房(ICU)㊁研究中心等电磁干扰是当务之急[2-3]㊂频率选择表面(frequency selective surface,FSS)可实现选择性屏蔽,允许有用频带通过,反射无用频带,因此受到了广泛的关注㊂随着柔性电子制造技术的发展,如导电油墨的丝网印刷,FSS在其他方面的应用具备了灵活性[4-6],也为特殊电磁屏蔽和防护应用提供了新的思路㊂Bagci等[7]提出了一种用于WLAN屏蔽应用的双阻带FSS,通过在玻璃基板上集成两层FSS的方式实现,对WLAN信号提供25~30dB的测量抑制㊂但是一个单元的尺寸达到30mm,视觉透明度非常低㊂Dewani等[8]提出了一种基于PET薄膜的单频带方形环路带阻FSS,可用于屏蔽通用移动通信系统(universal mobile telecommunications system,UMTS)2.5~3.5GHz频段㊂该设计是用银油墨在PET基板上丝网印刷,然后粘在玻璃窗上㊂虽然该设计在期望的频带内显示出22dB的屏蔽特性,但是PET和玻璃窗之间的气泡或变形可能会降低FSS的性能㊂Farooq等[9]提出了一种新型的具有双阻滞特性的偏振无关FSS,用于抑制Wi-Fi和WLAN㊂在2.45和5.5GHz频段分别提供43和40dB的带阻响应两个波段的屏蔽,但其导电图案是覆铜刻蚀的,制作过程复杂,花费成本高㊂近年来要求电磁屏蔽的场所不断增加,除公共场所外,私人场所和军事设施等也同样需要[10-11],FSS玻璃材料也越来越朝着低成本㊁制作简单㊁高性能的方向发展㊂本文提出了一种用于GSM屏蔽和WLAN隔离的双层玻璃,其中间夹了一层频率选择表面,利用三维电磁仿真软件CST仿真分析了几何参数和入射角度对其传输响应的影响㊂本文所设计的夹层玻璃能够抑制1.94㊁3.55和4.98GHz频段的传输,在电磁辐射防护㊁GSM屏蔽和WLAN隔离等方面具有良好的应用潜力㊂1㊀FSS设计图1展示了提出的单元几何结构的示意图㊂该单元由一个半径R为9.5mm㊁线宽W为0.6mm的圆环和长度A1为6.9mm㊁宽度D1为1.8mm㊁线度为0.6mm的三极子缝隙组成㊂该单元是在透明玻璃上实现的,其透明玻璃的相对介电常数εr为6.7㊁厚度H为2mm㊂采用三维电磁场仿真软件CST对单元进行了仿真,该仿真器基于时域有限差分法求解了几何形状为的四面体网格单元的麦克斯韦方程组㊂图1㊀FSS几何结构示意图Fig.1㊀Schematic diagram of FSS geometryFSS的设计主要考虑两个因素:第一,在工作频段上的屏蔽性能及稳定性,第二,设计的美观与透明性能㊂虽然性能和外观的设计之间存在一些约束,但是可以通过采用简单而稳定的谐振单元来解决这些设计约束㊂图案演化步骤仿真如图2所示,通过CST仿真可以看出,普通的单圆环结构可以在低阻带(2GHz左右)产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到50dB,单个三极子图案可以在5GHz产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到30dB,将三极子图案镂空形成三极子缝隙后,由于图案内部电流发生变化,有相反的内部和外部边缘磁电流方向,导致磁场抵消,从而在低频产发生谐振,在3.3GHz额外产生一个阻带,这个频点对电磁波的吸收最高能达到40dB,并且导致5GHz频点向后漂移㊂将两个单元组合在一起后,就可以谐振产生两个阻带,且频点发生些许漂移,若将三极子图案镂空形成三极子缝隙,镂空使得第9期谭㊀天等:新型三频段FSS 夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究3361㊀阻带能够移到所需要的频率,且单元占据的空间很小,还会谐振产生额外一个阻带㊂该谐振单元由传统的单圆环和三极子演化而来,因此,本设计在保证屏蔽性能的前提下提供了足够的透明区域以保证足够的光线传输㊂这种结构不仅能美化玻璃表面,而且对入射角度不敏感㊂为了进一步了解该结构潜在的共振机制,并研究每个电流对FSS 性能的贡献,图3给出了三个频点1.94㊁3.55㊁4.98GHz 下两个单元上的感应表面电流分布(S 21表示从端口2到端口1的散射系数)㊂箭头表示电流的方向,颜色表示强度㊂图2㊀图案演化步骤仿真Fig.2㊀Simulation of performancesteps 图3㊀表面电流分布Fig.3㊀Surface current distribution 从图3(a)可以清楚地看出,1.94GHz 时,电流主要分布在外部环形回路上,而内部三极子缝隙回路上的电流较弱㊂结果表明,此时的外部圆环为谐振单元㊂从图3(b)可以看出,感应电流分布在中间三极子缝隙回路上,其外部环形上的电流可以忽略不计㊂因此,3.55GHz 是由三极子缝隙共振决定的㊂同样,对于更高的频带,大量的感应表面电流集中在FSS 的外部圆环和三极子缝隙中㊂这种高电流密度验证了4.98GHz 的阻带由FSS 两个单元共同共振引起㊂3362㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2㊀性能分析2.1㊀等效电路模型分析本文提出的带阻FSS的ECM(equivalent circuit model,ECM)是在全波单元仿真的基础上,利用电路理论与建立FSS的集总电路模型之间的关系建立的㊂一个周期单元由两个独立的单元(即外环状单元和内环三极子缝隙单元)组成㊂外环采用串联L C谐振器(L1,C1)建模,内环采用串联和并联L C谐振器建模㊂其中并联L C中的电感L B用于与三极子缝隙相关的电感,而C B代表与三极子缝隙宽度有关的电容㊂此外,L A和C A分别表示内外单元之间有关的电感和电容㊂衬底用传输线建模,而自由空间阻抗(377Ω)用Z0建模㊂由两个串联L C谐振器和一个并联L C谐振器所代表的最终等效电路模型及ADS仿真如图4所示㊂图4㊀等效电路模型(a)及ADS仿真(b)Fig.4㊀Equivalent circuit model(a)and ADS simulation(b)外环的表面阻抗可以表示为Z FSS1=jωL1+1jωC1=1-ω2L1C1jωC1(1)式中:Z表示阻抗,下标FSS1表示外环状单元,L1表示外环单元电容,C1表示外环单元电感,ω表示入射电磁波周期,j表示虚部㊂令其分子等于零,即可得到共振频率f1处的传输零点㊂同样,内部单元的表面阻抗也可以表示为Z FSS2=jωL A+1jωC A+jωL B 1jωC B(2)式中:下标FSS2表示内环三极子缝隙单元,电感L B表示与三极子缝隙相关的电感,C B表示与三极子缝隙宽度有关的电容,L A表示内外单元之间电感,C A表示内外单元之间电容㊂介质的等效特性阻抗为Z m=μ0μrε0εr =Z0εr(3)式中:Z m表示介质的等效特性阻抗,μ0表示真空磁导率,μr表示相对磁导率,ε0表示真空介电常数,εr表示相对介电常数,Z0表示自由空间阻抗㊂介质的传播常数为βm=εr2πλ(4)式中:βm表示介质的传播常数,λ表示波长㊂等效电路的负载阻抗为Z l=Z FSS Z inp=Zεr1+Zεr(5)第9期谭㊀天等:新型三频段FSS 夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究3363㊀式中:Z l 表示等效电路的负载阻抗㊂等效电路的输入阻抗为Z in =Z m Z l +Z m tan h (j βm W )Z m +Z l tan h (j βm W )(6)式中:Z in 表示等效电路的输入阻抗,W 表示线宽㊂从上述公式可以得出,等效电路的传输因子为:T trans =1-Z in -1Z in +1()2(7)式中:T trans 表示等效电路的传输因子㊂由上述公式可知,对于带阻频率,电感和电容可能存在多个值,经过计算提取出L 1=34.37nH,C 1=0.19pF,L A =7.93nH,C A =0.21pF,L B =0.64nH,C B =1.91pF,这些集总元件的值可以调谐到所需的谐振频率㊂图4(a)所示的最终电路的提取值在Advanced Design System (ADS)工具中进行了仿真㊂由图4(b)可知,电路仿真与全波电磁在1.94㊁3.55㊁4.98GHz 三个频点产生谐振,与CST 相比电路仿真在谐振处有轻微的偏移,吸收性能曲线基本重合,总体来说仿真吻合较好㊂2.2㊀几何参数分析探讨不同几何参数如圆环半径R ㊁三极子缝隙长度A ㊁三极子缝隙宽度D 和线宽W 的变化对所设计FSS的频率响应的影响,以及不同入射波偏振时的入射角㊂其中R =9.5mm㊁W =0.6mm㊁A =6.9mm,D =1.8mm,分别改变其中一个参数,其他参数保持不变,观察结果变化㊂首先,对圆环半径R 对带阻频率响应的影响进行了参数分析㊂图5(a)显示了谐振频率f1随参数R 的变化㊂随着R 从9.3mm 增加到9.7mm,f1从2.05GHz 减小到1.82GHz,反射率几乎不变,谐振频率f2和f3也略有下降,约小于1%㊂图5㊀频率随不同参数的变化Fig.5㊀Frequency variation with different parameters3364㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷同样,谐振频率随三极子缝隙长度A 的变化如图5(b)所示㊂结果表明,A 从6.7mm 增加到7.1mm,f2从3.68GHz 减少到3.45GHz,f3从5.11GHz 减少到4.98GHz,且A =6.9mm 时,-10dB 以下的带宽最宽,f1基本不变,A 对谐振频率f2和f3的影响较大,这种变化是由于A 的增加使内部单元的电流增大㊂三极子缝隙宽度D 在1.6~2.0mm 变化时,频率变化情况如图5(c)所示,结果显示,三个频点随着D 的增加均变化不大,由此可分析出D 对频点影响不大㊂对线宽W 进行了研究,相应的频率响应如图5(d)所示㊂结果表明,当W 从0.4mm 增加到0.8mm 时,f3从5.05GHz 减少到4.98GHz,且反射率逐渐增大,f2处的带宽也随着W 的增大而增大,而f1频点没有受到影响,其谐振频率的减少归因于环形电感的减小,在高于自身谐振频率时(大于2GHz)电感与谐振频率成正比,W 对于性能的影响不大,但W 的增大也会带来FSS 图案面积的增大,从而影响透光率㊂2.3㊀角度敏感性分析在不同的入射角度下,对该设计进行了仿真,此时的结构参数为圆环半径R =9.5mm,线宽W =0.6mm㊁三极子缝隙长度A =6.9mm㊁三极子缝隙宽度D =1.8mm㊂不同入射角(0ʎ~60ʎ)下仿真结果如图6所示,本文提出的FSS 在1.94㊁3.55和4.98GHz 频段分别达到了-50㊁-44和-35dB 的屏蔽㊂由于磁场和电场分量随入射角的变化而变化,入射的无线电波在表面处具有不同的阻抗㊂因此,这种阻抗失配会导致倾斜角度下FSS 性能的轻微下降㊂对于TM 极化,由于三极子缝隙不完全对称,导致随着角度的增加,高频时出现谐振频率的分化与漂移㊂图6㊀频率随不同入射角的变化Fig.6㊀Frequency variation with different incident angles 3㊀实验验证所设计的FSS 夹嵌在玻璃中间,实际中对玻璃的透光性是有一定要求的㊂利用简单面积计算公式可以得到,圆环和三极子缝隙的总面积(S cell )为62.75mm 2,单元总面积L 2为400mm 2,且利用表面单元占空比可以计算得到所提出的结构具有84.3%的透光率T ㊂从而在保证所需频段有足够的屏蔽效果时,透光率满足一定的要求㊂T =L 2-S cell L 2(8)式中:T 表示透光率,L 2表示单元总面积,S cell 表示圆环和三极子缝隙的总面积㊂为了对仿真结果进行验证,制作了一个尺寸为200mm ˑ200mm 的样件,对其进行了透波率和透光率测试㊂样件制作过程如下:首先选取2块厚度为2mm 的透明玻璃,清洗㊁制备之前,使用丙酮㊁无水乙醇和去离子水依次对玻璃进行清洗,去除玻璃表面的污染物,保持洁净度㊂然后在干燥箱中升温至120ħ烘烤15min,使其表面水分完全蒸发㊂取其中一块玻璃,将丝网印刷网版置于其上,将导电银浆以线滴法滴至丝网印刷网版上,用刮刀以45ʎ第9期谭㊀天等:新型三频段FSS 夹层玻璃的设计与电磁屏蔽性能研究3365㊀恒速刮过丝印网版,在剪切力的作用下将导电银浆印刷到玻璃上,然后将带有印刷图案的玻璃放至真空干燥箱中退火以蒸发溶剂,最终获得与网版图案一致的透明导电玻璃㊂在将另外一块没有印刷图案的玻璃和印刷图案的玻璃(印有图案的玻璃面在中间)贴合前,首先要选择适合玻璃宽度的PVB 胶片,将PVB 胶片自然展平,对齐玻璃的内外片㊂在玻璃边角贴敷复合胶条,然后放入热压机,经过高温预热处理后,热压机施加压力使玻璃通过PVB 胶片黏合为一体,最后冷却得到样件㊂由一对宽带喇叭天线㊁一对聚焦透镜和一台矢量网络分析仪(安捷伦技术37369C)来搭建如图7(a)所示简易自由空间传输率测试系统㊂样件实物图如图7(b)所示㊂将样件置于聚焦透镜之间,可测得样件的随频率变化的传输系数曲线,测试结果如图7(c)所示㊂图7㊀自由空间传输率测试装置㊁样件实物图和测量结果曲线Fig.7㊀Free space transmission rate test device,sample picture and measurement result curves 用玻璃刀将FSS 夹层玻璃切出一个周期图案(尺寸大小为10mm ˑ10mm),使用图8(a)所示的UV2600紫外分光光度计对样件的透光率进行测量,测量结果如图8(b)所示㊂图8㊀透光率测试装置和测量结果曲线Fig.8㊀Transmittance test device and measurement result curve 测量结果表明,夹层玻璃样件在三个频点下都表现出低于-10dB 的抑制效果,在可见光范围内透光率维持在70%以上,模拟结果与实测值吻合较好㊂但由于加工公差和测量缺陷等原因,中心频点出现了小偏差,透光率低于理论设计值㊂最后,将本文的结果与现有文献中进行了比较,结果如表1所示㊂表1㊀样件主要性能对比Table 1㊀Main performance comparison of samplesRef.Unit size λ0Working frequency /GHz Angle stability /(ʎ)Band width less than -10dB /GHz [7]0.24Dual band(2.4/5.5)300.95[8]0.10Single band (2)6013366㊀玻㊀璃硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷续表Ref.Unit sizeλ0Working frequency/GHz Angle stability/(ʎ)Band width less than-10dB/GHz[9]0.16Dual band(2.45/5.5)45 2.06[12]0.34Dual band(2.45/5.25) 0.80[13]0.18Dual band(0.9/1.9)60 1.75This paper0.16Triple-band(1.94/3.55/4.98)60 1.784㊀结㊀论1)本文研究了一种具有三带阻特性㊁角度敏感性低的新型频率选择玻璃,用于抑制GSM和WLAN㊂2)制作了实验样件,通过自由空间透波率实验和UV2600紫外分光光度计透光率实验,在三个工作频点均实现了-10dB以下的带阻传输响应,且保持70%以上的光学透光率㊂3)仿真和实验结果进一步证实本文所给出的结构具有良好的角度稳定性,在GSM抑制㊁屏蔽无线接入点,以及在室内环境的安全方面具有潜在的应用价值㊂参考文献[1]㊀SYED I S,RANGA Y,MATEKOVITS L,et al.A single-layer frequency-selective surface for ultrawideband electromagnetic shielding[J].IEEETransactions on Electromagnetic Compatibility,2014,56(6):1404-1411.[2]㊀BILAL M,SALEEM R,SHABBIR T,et al.A novel miniaturized FSS based electromagnetic shield for SATCOM applications[J].Microwaveand Optical Technology Letters,2017,59(9):2107-2112.[3]㊀ALI H,RIAZ L,NAEEM U,et al.A compact band-stop frequency selective surface for dual band Wi-Fi applications[J].Microwave andOptical Technology Letters,2017,59(8):1920-1927.[4]㊀YONG W Y,ABDUL RAHIM S K,HIMDI M,et al.Flexible convoluted ring shaped FSS for X-band screening application[J].IEEE Access,2018,6:11657-11665.[5]㊀WHITTOW W G,LI Y,TORAH R,et al.Printed frequency selective surfaces on textiles[J].Electronics Letters,2014,50(13):916-917.[6]㊀AZEMI S N,GHORBANI K,ROWE W S T.Angularly stable frequency selective surface with miniaturized unit cell[J].IEEE Microwave andWireless Components Letters,2015,25(7):454-456.[7]㊀BAGCI F,MULAZIMOGLU C,CAN S,et al.A glass based dual band frequency selective surface for protecting systems against WLANsignals[J].AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017,82:426-434.[8]㊀DEWANI A A,O KEEFE S G,THIEL D V,et al.Window RF shielding film using printed FSS[J].IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2018,66(2):790-796.[9]㊀FAROOQ U,SHAFIQUE M 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《2024年基于M-FSS的透射阵列天线研究》范文

《基于M-FSS的透射阵列天线研究》篇一一、引言随着无线通信技术的飞速发展，对天线技术的要求也日益提高。

透射阵列天线因其高效率、低剖面和易于集成等优点，在无线通信领域得到了广泛的应用。

近年来，基于M-FSS（Meta-Surface FSS，即超表面滤波器）的透射阵列天线因其独特的电磁波调控能力，受到了广泛关注。

本文旨在研究基于M-FSS的透射阵列天线的性能及其在无线通信中的应用。

二、M-FSS的基本原理M-FSS是一种由亚波长结构单元组成的超表面滤波器，其通过调整单元结构的尺寸、形状和排列方式，实现对电磁波的相位、振幅、极化等特性的有效调控。

M-FSS具有良好的波束控制能力和较高的透射率，使其成为构建高性能透射阵列天线的重要部分。

三、基于M-FSS的透射阵列天线设计基于M-FSS的透射阵列天线设计主要包括单元结构设计、阵列布局和优化算法等步骤。

首先，根据应用需求设计出具有特定电磁特性的单元结构；然后，通过合理的阵列布局将单元结构组合成阵列天线；最后，利用优化算法对阵列天线的性能进行优化。

四、仿真分析与实验验证通过仿真分析，我们研究了基于M-FSS的透射阵列天线的性能。

仿真结果表明，该天线具有较高的透射率、较低的副瓣电平和良好的波束控制能力。

为了验证仿真结果的准确性，我们进行了实验验证。

实验结果表明，基于M-FSS的透射阵列天线在实际应用中具有良好的性能表现。

五、应用场景与优势基于M-FSS的透射阵列天线在无线通信领域具有广泛的应用前景。

首先，它可以应用于5G和6G移动通信系统，提高通信系统的性能和容量；其次，它可以应用于雷达系统，提高雷达的探测精度和抗干扰能力；此外，它还可以应用于卫星通信、无人机通信等领域。

与传统的阵列天线相比，基于M-FSS的透射阵列天线具有更高的透射率、更低的剖面和更好的波束控制能力，使其在无线通信领域具有显著的优势。

六、挑战与展望尽管基于M-FSS的透射阵列天线在无线通信领域具有广阔的应用前景和显著的优势，但仍面临一些挑战。

频率选择表面天线罩的研究

频率选择表面天线罩的研究郑书峰尹应增马金平刘璐张建成（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安 710071）摘要：本文从Y环形孔径频率选择表面（FSS）的传输特性出发，针对定向天线和全向天线分别设计出了具有带通特性的平面和柱面FSS天线罩，并从远场和近场两方面对天线及天线罩系统的电磁特性进行了仿真分析，并进行了实验验证。

结果表明设计出的FSS天线罩为天线的远场方向图带来较小畸变的同时，能够很好地降低天线间的互耦。

关键词：频率选择表面（FSS）天线罩Investigation of Frequency selective surfaces(FSS) Radome ZHENG Shu-feng ，YIN Ying-zeng，MA Jin-ping，LIU Lu，ZHANG Jian-cheng (Institute of Antennas and Electromagnetic Scattering，Xidian University, Xi'an 710071，China)Abstract: Two types of planar and cylindrical FSS radome with band-pass property corresponding respectively with directional and unidirectional antennas are designed on the basis of Y loop slot FSS’s transmission characteristic. The electromagnetic characteristic of the composite system(antenna and FSS radome)is simulated ,and the experimental results is presented, which indicate that the designed FSS radomes can obviously suppress the coupling between antennas while producing slight aberrance on the radiation pattern of antenna.Keywords: Frequency selective surfaces (FSS);Radome1 引言天线罩是用来保护天线或整个微波系统免受环境影响的外壳，在无线系统中应用广泛。

fss天线罩实施方案

fss天线罩实施方案一、引言。

FSS（Frequency Selective Surface）天线罩是一种用于电磁波传输的特殊材料，其具有选择性地通过或者反射特定频率的电磁波的功能。

在通信、雷达、无线电等领域，FSS天线罩都有着重要的应用。

本文将针对FSS天线罩的实施方案进行详细介绍。

二、FSS天线罩的设计。

1. 材料选择。

FSS天线罩的材料选择是至关重要的一步。

需要根据具体的应用场景和频率要求来选择合适的材料，常见的材料有金属网格、导电聚合物等。

2. 结构设计。

FSS天线罩的结构设计需要考虑到电磁波的传输特性，包括周期性结构的设计、单元结构的选择等。

通过合理的结构设计，可以实现对特定频率的电磁波进行选择性透过或者反射。

三、FSS天线罩的制造。

1. 制造工艺。

FSS天线罩的制造工艺包括材料的加工、结构的制作、组装等环节。

需要根据具体的设计要求选择合适的制造工艺，确保FSS天线罩的性能和稳定性。

2. 质量控制。

在FSS天线罩的制造过程中，需要进行严格的质量控制，包括材料的质量检测、结构的精度控制、组装的工艺监控等，以确保制造出符合要求的FSS天线罩产品。

四、FSS天线罩的应用。

1. 通信领域。

在通信系统中，FSS天线罩可以用于提高天线的性能和抗干扰能力，同时可以实现对特定频段的信号进行选择性传输，提高通信系统的可靠性和稳定性。

2. 雷达领域。

在雷达系统中，FSS天线罩可以用于实现对特定频率的信号进行选择性反射或者透过，从而实现对雷达系统的性能优化和干扰抑制。

3. 无线电领域。

在无线电系统中，FSS天线罩可以用于实现对特定频率的信号进行选择性传输，提高无线电系统的信号覆盖范围和抗干扰能力。

五、总结。

FSS天线罩作为一种特殊的电磁波传输材料，在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用前景。

通过合理的设计、制造和应用，FSS天线罩可以发挥其独特的优势，为相关领域的技术发展和应用提供有力支持。

希望本文介绍的FSS天线罩实施方案能够为相关领域的研究和应用提供一定的参考和借鉴。

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Applied Physics 应用物理, 2019, 9(12), 491-498Published Online December 2019 in Hans. /journal/apphttps:///10.12677/app.2019.912060The Influence of FSS Unit Arrangement onElectromagnetic Scattering of RadomeXiangyu Li, Xiaolong Huang, Miao Yu, Jianbo Wang*College of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun JilinReceived: Nov. 11th, 2019; accepted: Nov. 27th, 2019; published: Dec. 4th, 2019AbstractIn the actual application and design process of frequency selective surface (FSS), it is inevitable to encounter the problem of arranging unit structure on the curved surface, which is different from the infinite plane model in simulation. In this paper, based on the actual engineering and focusing on the problems in the real situation, we study the influence of unit structure arrangement on the electromagnetic scattering characteristics of a straight conical radome based on the circular ring structure by using EastFDTD software. Through comparison and analysis of the three layout me-thods, it is found that the optimal layout after eliminating the defects is beneficial to the electro-magnetic scattering characteristics of the radome, which can better realize the free permeability of the electromagnetic wave in the working frequency band and the high reflection in the non-working frequency band.KeywordsFSS, Radar Cross Section, Unit Structure Arrangement, Electromagnetic ScatteringFSS单元排布对天线罩电磁波散射的影响李翔宇，黄晓龙，于淼，汪剑波*长春理工大学理学院，吉林长春收稿日期：2019年11月11日；录用日期：2019年11月27日；发布日期：2019年12月4日摘要频率选择表面(Frequency Select Surface，简称FSS)在实际运用与设计过程中，不可避免的遇到单元在*通讯作者。

李翔宇等曲面结构上的排布问题，这与仿真中无限大平面模型有所差异。

本文以实际工程为背景，针对现实情况中出现的问题为重点，利用EastFDTD软件，以圆环形单元结构为基础，研究了直锥形天线罩下，单元排布对其电磁散射特性的影响。

通过对比分析三种排布方式发现：消除缺陷后的优化排布对罩体电磁散射特性的影响有利，更好的实现了电磁波在工作频段的自由通透，非工作频段的高反射。

关键词频率选择表面，雷达截面，单元排布，电磁散射Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言在现代化战场中，雷达探测起着至关重要的作用[1]。

同理，雷达为提高自身生存能力也要尽可能的降低被探测到的风险[2]。

反雷达探测又可以称作隐身技术，而表示目标隐身效果强弱的物理量被称作目标对电磁波的雷达截面(Radar Cross Section) [3]。

RCS是基于平面波照射状态下目标各向同性散射的概念，降低雷达截面可以大大减少雷达探测作用，而频率选择表面可以实现这种效果。

由此提出FSS实现隐身天线罩，在我方雷达工作频段保证电磁波的自由通透，而在非工作频段实现高反射[4] [5] [6]。

对于有限大尺寸FSS甚至是曲面FSS的研究才是对FSS的有效扩充，找到高效建立应用FSS模型并快速分析应用FSS的传输特性是目前重要的研究领域[7] [8] [9] [10]。

在实际运用中曲面天线罩体因其表面不能完全展开成平面，导致单元不能像无限大平面模型一样严格周期分布，其效果也就产生了变化，所以FSS单元排布设计对天线罩起到了至关重要的影响[11] [12]，针对该问题本文研究了单元排布对曲面FSS天线罩传输特性的影响。

2. 单元设计与仿真本文以实际工程为背景设计了圆环形单元结构，周期为10 mm × 10 mm正方形排布，工作中心频点为10 GHz。

该单元由三层结构构成，基底陶瓷(天线罩)介电常数为3.5、厚度为9 mm，中间层为粘合胶体介电常数为3、厚度为0.025 mm，上层为金属板、厚度为0.025 mm，具体尺寸如图1(a)~(b)所示。

文中使用的仿真软件为EastFDTD，是一款基于时域有限差分算法的光电磁实时仿真模拟软件，广泛用于各种电磁系统(天线/雷达、雷达罩、暗室、RCS、探测、加热等)和光电系统(如激光、LED、光纤等)等行业的仿真，与国际软件相比，在计算速度、精确度和电磁材料等方面，具有特殊的技术优势。

以该单元为周期结构，仿真其在无限大平面下的透过率曲线，分别以入射角和极化角为变量，观察随着角度的变化模型工作频点的变化规律：图1(c)为TE模极化角固定，入射角变化时对工作频点的影响，当入射角由0增加至80˚时，透过率仿真曲线的工作中心频点逐渐增大，有向高频段移动的趋势；图1(d)为入射角固定在70˚ (因为直锥模型的角度设置，在此选择固定入射角为70˚)，极化角变化时对工作频点的影响，当极化角由0增加至90˚时，透过率仿真曲线的工作频点基本不变，说明该单元结构极化不敏感，且入射角70˚时各个极化角下单元的工作频点均处在10 GHz，透过率也基本处在90%以上。

李翔宇等(a) (b)(c)(d)Figure 1. (a) (b) Elevation and side views of the unit structure, unit(mm); (c) Transmittance curve of the unit model when the polarization angle is fixed and the incidence angle is changed; (d) Transmittance curve of the unit model when the incidence angle of the fixed polarization angle changes图1. (a) (b) 单元结构的正视图和侧视图，单位(mm)；(c) 极化角固定入射角变化时，单元模型的透过率曲线；(d) 入射角固定极化角变化时，单元模型的透过率曲线3. 天线罩的仿真与分析3.1. 无FSS 加成的天线罩如图2所示天线罩模型通过在二维平面x-o-y 内的直线绕x 轴旋转得到，其中直线方程为y = x*tan20˚，锥体顶角20˚。

天线罩厚度为9 mm ，介电常数为3.5。

李翔宇等Figure 2. A three-dimensional schematic of the radome (unit: mm)图2. 天线罩的三维示意图(单位：mm)3.2. 平面FSS 排布与仿真排布一如图3(a)：严格的正方排布：在锥体的扇形展开面上按照严格的正方周期将FSS 单元一一排列，然后将扇面进行卷曲得到直锥，为保证单元的完整性，如果遇到边界处无法排列一个完整单元的位置，则不在该处放置单元。

排布二如图3(b)：初步优化排布，沿x 轴每隔10 mm 在罩体径向进行单元排布，单元周期不变且保证完整性，罩体表面将出现较小的空缺，虽然径向上形成周期排布但母线方向无序。

排布三如图3(c)：再优化排布，针对前一步中径向上每一圈的周长调整单元周期大小，做到径向严格周期排布消除空缺。

仿真扇面模型工作波段，10 GHz 的工作频点包含在其工作频段内。

如图3(d)所示在5~15 GHz 频段内，排布一模型的工作曲线与单一单元结构相同，排布二模型的工作频带杂乱峰值相对更高，排布三的工作频带更稳定峰值相对较低。

对于有限大平面模型，无论排布二还是排布三都不是严格的周期排布，所以与排布一相比透过率曲线变化很大。

(a) (b) (c)(d)Figure 3. (a)~(c) The straight cone model is developed into a schematic diagram of plane fan, which is arranged one, two and three respectively in order; (d) Transmittance curves of three models in 5 - 15 GHz图3. (a)~(c)直锥模型展开为平面扇形的示意图，按顺序分别对应排布一、二、三；(d) 在5~15 GHz 内三种排布模型的透过率曲线李翔宇等3.3. 直锥模型的FSS 排布将平面扇形模型进行卷曲得到最后的锥形FSS 天线罩，需要将FSS 单元结构排布在天线罩表面，首先沿x 轴方向从x = 20到110处每隔10放置一个单元，再将单元绕x 轴按一定角度旋转并复制，则在该处构成一圈排布的FSS ，总计排布十圈。