頻率選擇表面(學(xué)習(xí)筆記)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上FSS-相關(guān)知識(shí)整理一、基本概念1、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface ,FSS) 是一種二維周期陣列結(jié)構(gòu),就其本質(zhì)而言是一個(gè)空間濾波器,與電磁波相互作用表現(xiàn)出明顯的帶通或帶阻的濾波特性。FSS 具有特定的頻率選擇作用而被廣泛地應(yīng)用于微波、紅外至可見(jiàn)光波段。2、分類(lèi)頻率選擇表面有兩種：貼片類(lèi)型也叫介質(zhì)類(lèi)型，開(kāi)槽類(lèi)型也叫波導(dǎo)類(lèi)型。貼片類(lèi)型是在介質(zhì)表面周期性的標(biāo)貼同樣的金屬單元，一般而言是作為帶阻型濾波器的；低頻透射，高頻反射；開(kāi)槽類(lèi)型是在金屬板上周期性的開(kāi)一些金屬單元的槽孔，從頻率特性相應(yīng)上看是帶通型頻率選擇表面；低頻反射，高頻透射。3

2、、頻率選擇表面的應(yīng)用雷達(dá)罩：通過(guò)安裝頻率選擇表面減少雷達(dá)散射截面積。卡塞哥倫天線(xiàn)副反射面：實(shí)現(xiàn)波束的復(fù)用與分離。準(zhǔn)光濾波器：實(shí)現(xiàn)波束的復(fù)用與分離。吸波材料：基于高損耗的介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)大帶寬的吸波材料。極化扭轉(zhuǎn)：折線(xiàn)形的頻率選擇表面是一個(gè)線(xiàn)極化變成圓極化的極化扭轉(zhuǎn)器。天線(xiàn)主面：降低帶外的噪聲。4、濾波機(jī)理圖1 頻率選擇表面的濾波機(jī)理頻率選擇表面和一般意義上的通過(guò)電容、電感組成的濾波器在目的上是一致。而濾波機(jī)理和有很大的區(qū)別（圖1）。最大的區(qū)別是，一般的濾波器作用的對(duì)象是電路中的電流，而且一般濾波器我們主要關(guān)心通帶的波形是不是有畸變，而對(duì)于阻帶就就不必關(guān)心了。而頻率選擇表面是對(duì)于場(chǎng)的濾波器，不論是

3、透射波還是反射波都是十分重要，不僅僅要關(guān)注其幅度、相位的變化，還要關(guān)心交叉極化和熱損耗等。A、貼片類(lèi)型：在介質(zhì)表面周期性的標(biāo)貼同樣的金屬單元。圖2 貼片類(lèi)型頻率選擇表面的等效電路濾波機(jī)理：假設(shè)電磁波入射從左向右入射到貼片型頻率選擇表面上。在平行于貼片方向的電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生作用力使其振蕩，從而在金屬表面上形成感應(yīng)電流。這個(gè)時(shí)候，入射電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)化為維持電子振蕩狀態(tài)所需的動(dòng)能，而另一部分的能力就透過(guò)金屬絲，繼續(xù)傳播。換言之，根據(jù)能量守恒定律，維持電子運(yùn)動(dòng)的能量就被電子吸收了。在某一頻率下，所有的入射電磁波能量都被轉(zhuǎn)移到電子的振蕩上，那么電子產(chǎn)生的附加散射場(chǎng)可以抵消金屬導(dǎo)線(xiàn)右側(cè)的電磁波的出射場(chǎng)

4、，使得透射系數(shù)為零。此時(shí)，電子所產(chǎn)生的附加場(chǎng)同時(shí)也向金屬導(dǎo)線(xiàn)左側(cè)傳播，形成發(fā)射場(chǎng)。這種現(xiàn)象就是諧振現(xiàn)象，該頻率點(diǎn)成為諧振點(diǎn)。直觀的看，這個(gè)時(shí)候貼片型頻率選擇表面就成反射特性。再考慮另一種情況，入射波的頻率不是諧振頻率的時(shí)候，只有很少的能量用于維持電子做加速運(yùn)動(dòng)，大部分的能量都傳播到了貼片的右側(cè)。在這種情況下，貼片對(duì)于入射電磁波而言，是“透明”的，電磁波的能量可以全部傳播。這個(gè)時(shí)候，貼片型頻率選擇表面就成透射特性。一般而言，貼片類(lèi)型是作為帶阻型濾波器的。等效電路：LC串聯(lián)B、貼片類(lèi)型：在金屬板上周期性的開(kāi)一些金屬單元的槽孔。濾波機(jī)理：當(dāng)?shù)皖l電磁波照射開(kāi)槽型頻率選擇表面時(shí)，將激發(fā)大范圍的電子移動(dòng)，

5、使得電子吸收大部分能量，且沿縫隙的感應(yīng)電流很小，導(dǎo)致透射系數(shù)比較小。隨著入射波頻率的不斷升高，這種電子移動(dòng)的范圍將逐漸較小，沿縫隙流動(dòng)的電流在不斷增加，從而透射系數(shù)會(huì)得到改善。當(dāng)入射電磁波的頻率達(dá)到一定值時(shí)，槽兩側(cè)的電子剛好在入射波電場(chǎng)矢量的驅(qū)動(dòng)下來(lái)回移動(dòng)，在縫隙周?chē)纬奢^大的感應(yīng)電流。由于電子吸收大量入射波的能量，同時(shí)也在向外輻射能量。運(yùn)動(dòng)的電子透過(guò)偶極子槽的縫隙向透射方向輻射電場(chǎng)，此時(shí)的偶極子槽陣列反射系數(shù)低，透射系數(shù)高。當(dāng)入射波頻率繼續(xù)升高時(shí)，將導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)范圍減小，在縫隙周?chē)碾娏鲗⒎殖扇舾啥危娮油高^(guò)槽縫隙輻射出去的電磁波減小，因此，透射系數(shù)降低。而對(duì)于在遠(yuǎn)離縫隙的金屬板上所產(chǎn)生的

6、感應(yīng)電流則向反射方向輻射電磁場(chǎng)，并且由于高頻電磁波的電場(chǎng)變化周期的限制了電子的運(yùn)動(dòng)，輻射能量有限。因此，當(dāng)高頻電磁波入射時(shí)，透射系數(shù)減小，反射系數(shù)增大。圖5-1 貼片類(lèi)型頻率選擇表面的等效電路圖3 貼片類(lèi)型頻率選擇表面的等效電路從頻率特性相應(yīng)上看，開(kāi)槽型頻率選擇表面是帶通型頻率選擇表面。等效電路：LC并聯(lián)C、貼片類(lèi)型和開(kāi)槽類(lèi)型頻率選擇表面的關(guān)系：在不考慮介質(zhì)的情況下，他們是互補(bǔ)的，可以看出開(kāi)槽類(lèi)型的頻率選擇表面與貼片型頻率選擇表面相比，開(kāi)槽型頻率選擇表面具有相反的頻率響應(yīng)特性。在低于諧振頻率時(shí)，開(kāi)槽類(lèi)型的呈現(xiàn)感性電路特性；在高于諧振頻率是呈現(xiàn)容性電路特性。從等效電路方法的角度來(lái)看，開(kāi)槽型頻率選

7、擇表面可以表述為電容電感并聯(lián)的等效電路。在入射電磁波頻率為諧振頻率時(shí)，開(kāi)槽型頻率選擇表面對(duì)諧振頻率的電磁波是“透明”的。而貼片類(lèi)型的頻率選擇表面恰恰相反。二、存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的思路描述FSS 頻率響應(yīng)特性的主要指標(biāo)有中心頻率、中心頻率處的透過(guò)率、傳輸帶寬等。這些特性主要取決于FSS 諧振單元的形式,單元的排布方式以及周?chē)橘|(zhì)的電性能。影響這些特性的因素很多,其中入射波的極化方式與入射角度是兩個(gè)重要的影響因素。1、在FSS 的實(shí)際工程應(yīng)用中,很多情況下入射波的極化方式是未知的,并且入射角度范圍大,此時(shí)要采用一種對(duì)不同入射角度和極化方式性能都穩(wěn)定的FSS 結(jié)構(gòu),即兼具極化和角度穩(wěn)定性的FSS。2、

8、傳統(tǒng)正方形柵格排布的十字單元FSS 具有結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,在正入射時(shí)具有極化穩(wěn)定性,但是當(dāng)入射電磁波的入射角度增大時(shí), 諧振頻率隨極化方式的改變有很大的漂移,這極大地降低了FSS 的性能;另一方面十字單元和一般普通單元一樣隨入射角度的變化,中心頻率不具備角度穩(wěn)定性,漂移量很大。這是FSS 實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用急需解決的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)于FSS 極化穩(wěn)定性的問(wèn)題,正入射時(shí)可以選取對(duì)稱(chēng)單元實(shí)現(xiàn)極化穩(wěn)定性,但是工程應(yīng)用中往往涉及到大的入射角度,此時(shí)僅僅依靠單元的對(duì)稱(chēng)性已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的極化穩(wěn)定性。3、侯新宇等通過(guò)優(yōu)選圖形單元2Y孔單元的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)FSS 對(duì)入射角度的穩(wěn)定性，但Y 形單元極化穩(wěn)定性不好。4、Munk

9、等則是采用加載電介質(zhì)的方式改善大角度入射時(shí)FSS 的傳輸特性，但加載電介質(zhì)又往往會(huì)增加傳輸損耗。三、分析的方法沿一維或二維方向周期排列的金屬貼片陣列或金屬平面上的孔徑陣列可實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通和帶阻等不同的濾波器特性, 常被稱(chēng)為頻率選擇表面(FSS)。習(xí)慣上, 低通和高通的FSS 又分別被稱(chēng)為感性FSS 和容性FSS。FSS 的應(yīng)用幾乎涉及所有的電磁波譜, 如衛(wèi)星天線(xiàn)的頻率復(fù)用、天線(xiàn)罩、電路模擬吸收體以及各種空間濾波器和準(zhǔn)光頻率器件等。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多, FSS 的理論分析和設(shè)計(jì)非常困難。近年來(lái)已發(fā)展的一些數(shù)值方法, 如時(shí)域有限差分(FDTD )、有限元(FEM ) 以及積分方程( IE) 方法等由于計(jì)算內(nèi)存占用量大、計(jì)算量大, 從而導(dǎo)致計(jì)算效率很低。FSS 在入射波作用下所表現(xiàn)出來(lái)的物理現(xiàn)象,可以通過(guò)傳輸線(xiàn)理論近似, 因此根據(jù)等效電路的原理, 加以不同的極化和角度入射條件, 可將