高频率稳定性的小型化频率选择表面

从图3(a)中可以看出对于TM极化，当入射角从0°增大到60°时，该小型化FSS的-3dB工作带宽从1.04GHz减小到530MHz，中心频率几乎没有发生偏移，都谐振在2.9GHz。对于TE极化(图3(b))带宽的变化正好与TM 极化相反，入射角从0°增大到60°时，-3dB工作带宽从1.04GHz增大到1.83GHz，中心频仍然为2.9GHz，几乎不随入射角变化。优异的中心频率稳定性主要取决于单元本身结构的对称性。 60°入射时TE极化响应在5.2GHz处出现了一个较大的栅瓣，这主要是由FSS单元的周期性引起的，对于正方形的栅格排列单元间距D应满足式(1)。

（a）TM极化

（b）TE极化

图3 小型化FSS的角度稳定性

(1)

其中为自由空间波长，为入射角。根据式(1)当入射角增大时为了避免栅瓣的出现相应的单元间距应该变小。这样原来垂直入射时满足条件的单元间距在入射角增大时不可避免地引起了栅瓣的出现。所幸的是该栅瓣距工作频带较远，对带内特性的影响可以忽略。

图4是垂直入射时小型化FSS和方环FSS的带宽比较。由图可知与方环单元FSS相比，小型化FSS带宽变窄，曲线边缘更陡峭，具有更好的频率选择性。这可以从方环孔径型单元的等效电路角度来解释(图6)[8]。小型化单元弯曲枝节的长边可以等效为并联电感，增加枝节使等效电路的总电感L增大，而总电容几乎不变，根据电路的品质因数计算公式(2)式可知，谐振频率f0相同时L增大使Q值增大，进而小型化FSS带宽减小，具有更好的频率选择性。

(2)

图4 垂直入射时小型化FSS与方环FSS的带宽比较

图5 方环单元的等效电路模型

图6 60°斜入射时小型化FSS和方环单元
FSS角度稳定性比较

60°斜入射时小型化FSS和原来的方环FSS的角度稳定性比较如图6所示。对TE和TM极化小型化FSS谐振在2.9GHz，垂直入射时也在2.9 GHz处谐振（图2），中心频率没有随入射角的增大而改变。而原来的方环FSS的谐振频率为3.0GHz，与垂直入射时的2.9GHz相比有100MHz的频偏。与原来的方环相比，小型化FSS具有更好的角度稳定性，非常适合应用在对来波呈大角度入射的雷达罩设计当中。

（a）局部视图 （b）整体视图

图7 小型化FSS的实物图片

图8 垂直入射时小型化FSS的理论与实测结果对比

4 实验测试及结果分析

加工出的小型化FSS的实物如图7所示。样件的大小为160mm×160mm，包含20×20个单元。测试在微波暗室中进行，测试系统主要包括矢量网络分析仪和两个用于收发电磁波的双脊喇叭。该小型化FSS的实测和理论结果对比如图8所示，从图中我们可以看出二者基本一致。同时还对小型化FSS的角度稳定性进行了测试，结果如图9所示，图中仿真与实测结果吻合良好，中心频率并没有随着入射角的增大而改变。验证了理论分析的正确性。

(a) TM极化

(b) TE极化

图9 斜入射时小型化FSS的理论与实测结果对比

5 结论

本文提出了一种新的小型化FSS，在相同的谐振频率2.9GHz下，该小型化FSS单元的面积比原来的方环单元面积减小了78%，对该小型化FSS进行理论分析和实验验证，结果表明这种小型化单元具有很好的角稳定性，非常适合应用在对来波成大角度入射的FSS雷达天线罩的设计当中。此外，FSS的小型化在很大程度上降低了加工成本，从资源节约和降低成本方面也有重要的参考价值。