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(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

0 引言

頻率選擇表面(FSS)是一種新型的人工電磁材料，其特性類似空間濾波器，設(shè)計(jì)者可以通過人為設(shè)計(jì)不同的電磁參數(shù)來按照需求進(jìn)行電磁波傳輸?shù)恼{(diào)控。廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星、雷達(dá)以及隱身飛行導(dǎo)彈等飛行兵器[1-3]。由于實(shí)際工程應(yīng)用的復(fù)雜需求，F(xiàn)SS的研究范圍逐漸被拓寬，具有新功能特性的FSS成為了研究熱點(diǎn)[4-6]。在應(yīng)用FSS技術(shù)提高天線抗干擾性能及探測(cè)能力方面，可采用開口環(huán)形單元、長短金屬線結(jié)合單元、加載集總LC器件以及密集型偶極子單元來實(shí)現(xiàn)FSS的極化濾波特性[7-10]；針對(duì)FSS在多波段天線和變頻雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，選擇鐵氧體或液晶材料作為介質(zhì)襯底，或利用感性與容性表面耦合機(jī)制，或通過加載有源器件(如PIN二極管及變?nèi)荻O管)、可調(diào)控材料的方法獲得一種頻率選擇特性可調(diào)控的空間濾波器，稱為有源FSS(AFSS)或有源柵格陣列，可實(shí)現(xiàn)中心頻率點(diǎn)的變頻或開關(guān)的功能[11-13]。然而單一的設(shè)計(jì)往往僅能滿足單一的應(yīng)用功能，如果FSS能夠集多功能于一體，那么在節(jié)省應(yīng)用空間、降低重量和節(jié)約設(shè)計(jì)成本的同時(shí)，將會(huì)更利于適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜電磁環(huán)境下的工程需求。

本文通過分析頻率選擇表面(FSS)的諧振原理，在基于開關(guān)型有源頻率選擇表面(AFSS)的波束可重構(gòu)天線基礎(chǔ)上，提出沿著電感性金屬網(wǎng)柵表面平行和垂直兩個(gè)方向周期嵌入PIN二極管電控微波開關(guān)，得到一種多功能AFSS結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整偏置電壓控制不同組二極管的通斷來實(shí)現(xiàn)TE、TM極化時(shí)的高通濾波(針對(duì)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的全透射)或帶阻濾波(針對(duì)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的全反射)，以及TE、TM極化分離器(針對(duì)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)不同極化方式下的透反或開關(guān))的功能。文中給出了等效電路的分析及基于譜域法的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了討論。

1 多功能頻率選擇表面的設(shè)計(jì)

線寬為w、相互間隔為d的平行金屬線與另一組相同的平行線垂直交叉排列，就得到了感性金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置分別為：介質(zhì)襯底厚度為0.025 mm，相對(duì)介電常數(shù)為3，正切角損耗為0.001；周期d=16 mm， 線寬w=14 mm。

圖1 感性金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)

微波PIN二極管屬于特種微波半導(dǎo)體器件，在微波領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如開關(guān)、調(diào)制及數(shù)字移相等微波控制電路中[14]。由于其開關(guān)的速度較快，而且損耗很小，在正向和反向偏置的情況下能夠得到近似于短路和開路的良好特性，電子開關(guān)電路就可利用此特性，通過直流電平信號(hào)來控制射頻微波信號(hào)導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)。

對(duì)上述金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)交接點(diǎn)的1/2處加載平行和垂直的兩組PIN二極管，得到有源FSS結(jié)構(gòu)，如圖2所示。PIN二極管在不同偏置下的等效電路如圖3所示，其中PIN 管的寄生參數(shù)為電感L，正偏和反偏電阻為Rs和Rp，結(jié)電容為CT[11]。

圖2 加載PIN二極管的感性網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)

(a)PIN二極管結(jié)構(gòu) (b)正偏時(shí)等效電路(c)反偏時(shí)等效電路圖3PIN二極管結(jié)構(gòu)及其等效電路

下面針對(duì)PIN二極管加載的有源FSS結(jié)構(gòu)，給出所有二極管都正向偏置、僅平行組二極管正向偏置及所有二極管都反向偏置(或零偏)三種情況下的等效電路分析，并通過譜域法計(jì)算并討論其新穎的多功能特性。

2 不同偏置情況等效電路模型

所有二極管全部正向偏置時(shí)，有源FSS的等效電路如圖4所示，由于平行和垂直組二極管均導(dǎo)通，因此其特性近似于感性網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，能夠屏蔽低頻電磁波而透過高頻電磁波。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)于TE和TM波均呈現(xiàn)此高通濾波的特性。

圖4 所有二極管正偏時(shí)FSS等效電路

僅一組二極管正向偏置時(shí)，有源FSS的等效電路如圖5所示。在不同的極化方式下會(huì)得到不同的頻率響應(yīng)特性，可類比圖6結(jié)構(gòu)，TE極化方式下是一種類似于網(wǎng)柵的高通濾波器，而TM極化方式下是一種帶阻濾波器，可對(duì)諧振頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同極化方式下的開關(guān)(透反)功能。

圖5 一組正偏TE極化FSS等效電路

所有二極管全部反向偏置或零偏時(shí)，有源FSS的等效電路如圖6所示，其特性近似于十字貼片結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)帶阻的濾波特性，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)于TE和TM波具有相同的頻率響應(yīng)特性。

圖6 有源FSS的近似等效結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值計(jì)算與分析

譜域分析法是分析FSS結(jié)構(gòu)電磁散射問題的一種常用方法[1]。分析FSS結(jié)構(gòu)的電磁散射問題，首先要把FSS的散射場(chǎng)及入射場(chǎng)與屏上的表面感應(yīng)電流建立聯(lián)系。理想導(dǎo)體單元分布在x-y平面，首先建立單個(gè)周期單元的積分方程，經(jīng)過傅里葉變換，同時(shí)在x和y兩個(gè)周期方向利用Floquet定理，修改為整個(gè)周期陣列的積分方程，如式(1)所示。入射平面波在x-y平面上產(chǎn)生的自由空間的散射場(chǎng)，可以通過計(jì)算貼片上的感應(yīng)電流來得到。

(1)

計(jì)算分析中，嚴(yán)格來講，PIN二極管不可避免地可能存在電抗及電阻損耗，不能完全實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通時(shí)零阻抗與截止時(shí)的阻抗無窮大的理想狀態(tài)。然而PIN二極管I層的總電荷不是微波電流瞬時(shí)值產(chǎn)生的，而是主要由偏置電流所決定，因此直流偏置主要決定對(duì)微波信號(hào)呈現(xiàn)的阻值，正偏時(shí)阻抗非常小，近似短路；反偏時(shí)阻抗非常大，接近開路。同時(shí)，在實(shí)際選用時(shí)，往往選用插入損耗小反向擊穿電壓高的產(chǎn)品。因此把PIN管正向偏置和反向偏置(或者零偏置)的情況看作短路和開路特性進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)際應(yīng)用中選取具體參數(shù)的PIN管時(shí)，傳輸曲線規(guī)律基本不變，僅表現(xiàn)為寄生參數(shù)L、結(jié)電容CT引起的諧振頻率偏移及偏置電阻引入的傳輸損耗[15]。

加適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷菏沟盟卸O管都導(dǎo)通時(shí)，對(duì)于TE、TM極化波而言，有源FSS結(jié)構(gòu)都是一個(gè)高通濾波器。圖7給出了此時(shí)有源FSS的頻率響應(yīng)計(jì)算曲線，橫軸為頻率，縱軸為傳輸透過系數(shù)。改變直流偏壓使得二極管僅僅平行組導(dǎo)通時(shí)，可以在不同的極化方式下得到極具工程應(yīng)用價(jià)值的開關(guān)特性。圖8給出了FSS的頻率響應(yīng)計(jì)算曲線，對(duì)于TE極化，在9.3 GHz有一個(gè)阻帶，透射系數(shù)為-37 dB；而對(duì)于TM極化波，9.3 GHz處為通帶，透過系數(shù)為-0.38 dB。同樣的原理，針對(duì)同一極化方式的入射電磁波，可以通過調(diào)整直流偏置，選擇平行組或垂直組二極管導(dǎo)通，F(xiàn)SS在此頻點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)極化開關(guān)的功能，僅平行組二極管導(dǎo)通時(shí)，可實(shí)現(xiàn)TE極化在諧振頻點(diǎn)反射(關(guān))，TM極化透過(開)；僅垂直二極管導(dǎo)通時(shí)，正好相反。若調(diào)整直流偏置，使得所有二極管都截止，對(duì)于TE、TM波而言，有源FSS結(jié)構(gòu)都是一個(gè)帶阻濾波器，圖9給出了這種情況下的計(jì)算曲線，諧振發(fā)生9.3 GHz。此阻帶諧振頻率可以通過改變網(wǎng)柵周期d來調(diào)整，當(dāng)d減小時(shí)，即金屬網(wǎng)柵變密集，此時(shí)當(dāng)二極管全部截止，相當(dāng)于減小了等效的十字貼片單元的尺寸，因此諧振頻率會(huì)向高頻漂移，同理d增大時(shí)，阻帶諧振頻點(diǎn)會(huì)向低頻漂移。

圖7 所有二極管導(dǎo)通時(shí)FSS頻率響應(yīng)

圖8 僅一組二極管導(dǎo)通時(shí)FSS頻率響應(yīng)

通過分析諧振頻率點(diǎn)處PIN二極管正向和反向偏置兩種情況下x=0平面的電場(chǎng)情況可以容易地理解PIN二極管正、反向偏置時(shí)的近似短路和開路特性。當(dāng)PIN二極管反向偏置時(shí)，金屬網(wǎng)柵周期諧振單元容性縫隙的諧振顯著，而當(dāng)PIN二極管正向偏置時(shí)，容性縫隙的諧振消失。這是因?yàn)楫?dāng)PIN二極管截止時(shí)，容性縫隙的兩金屬貼片上能夠積累等量的異種電荷，具有電容效應(yīng)，而當(dāng)PIN二極管導(dǎo)通時(shí)，電荷被傳導(dǎo)，容性縫隙的兩金屬貼片上無電荷積累。

圖9 所有PIN管截止時(shí)FSS頻率響應(yīng)

4 結(jié)束語

為了滿足目前復(fù)雜電磁環(huán)境下FSS的應(yīng)用，本文給出一種PIN二極管加載的多功能有源FSS設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明：通過合理的調(diào)整直流偏置電壓，可以方便地控制FSS實(shí)現(xiàn)兩種極化波全透過、不同極化波不同的透反功能、兩種極化波全反射的多種功能。這種電控的多功能FSS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，為FSS的實(shí)際工程應(yīng)用提供了新的設(shè)計(jì)思路。

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