带阻频率选择表面的设计详细教程

1 引言

频率选择表面 （FSS）是二维周期阵列结构，它由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射（贴片型）或全传输特性（孔径型）， 分别称为带阻或带通FSS。实际的带阻段是由一层或多层被介质层分开的FSS贴片层组成。为了FSS的频率响应相对于入射角和极化的稳定性，金属贴片层通常镶嵌在多层介质层里。另外，两层或多层FSS贴片层背靠背叠加在一起可以产生很好的通带特性（平坦的通带，陡降的边带）。

2 带阻频率选择表面的设计

通常的带阻滤波器是由两层FSS金属层和中间的介质层组成。中间的介质片决定了传输曲线通带的平坦性，FSS金属层决定了传输曲线的带宽和谐振频率。介质片的厚度和介电常数非常重要。介质片的厚度典型的被取在0.5， 是阻带中心的波长。两个FSS层之间的介质层提高了带阻滤波器相对于入射角的稳定性。尽管从稳定性的角度看，介电系数的值越高越好，但是高的值也引入了高的传输损耗。 这样，根据设计需要，必须对介电系数的取值做综合的考虑。

本文的目标是设计一个FSS结构能够通过信号在GPS & DCS1800移动通信频段并且拒绝在更高频段的信号。图1出示了设计出的频率选择表面的几何形状和构型。
        它包括两层被一片泡沫垫片隔开的FSS。圆形环状的单元块形状被选择因为它的好频带稳定性。FSS金属层被嵌在介电系数为3.5损耗因数为 0.0026的聚酰亚胺膜层上。泡沫垫片的厚度被取接近0.5＝，那儿，FSS的谐振频率为，。此带阻滤波器的设计过程将用史密斯圆图和传输线理论进行分析。

图1 两层圆形FSS结构

3 用史密斯圆图和传输线理论分析和设计

设计从一层FSS开始，它由一片圆环形FSS金属层嵌在一层介质层构成。介质层的介电系数为3.5，损耗因数为0.0026。结构被仿真软件Ansoft DesignerTM 分析和设计。图2（a）出示了一层FSS在1GHz到12GHz频段上的阻抗，相应的传输和反射频率响应也就是和出示在图2（b）。一层FSS的传输线等效电路和相应的公式出示在图2（c）。为了比较，在图2（a）中5个点被标注，分别代表通带在1GHz， 2GHz， 阻带在5GHz、7GHz和9GHz。可以观察到导纳轨迹

图2（a） 一层FSS的导纳轨迹

（b）

图2（b） 一层FSS的和

图2（c） 一层FSS的 传输线等效电路和公式

位于电导等于1的圈里，暗示正交导纳的实部等于空气的导纳（也就是=1/377 mhos），这也可以从方程（1.2）和（1.3）获得。从图2（a）可以观察到反射系数在9GHz时，这和图2（b）中在9GHz时是一致的。

图3出示了额外的一层厚度为25.4mm的垫片加到一层FSS结构上的结果。比较图3（a）和图2（a），可以看到在1GHz只有小的变化，在2GHz导纳值旋转1200。这可以从方程（2.2）得到解释。频率在7GHz和9GHz的点变化到了导纳图的边缘位置。暗示着在这些频率点有高的反射系数，这也可以从图3（b）看出。第二层FSS被加到垫片上，其结果显示在图4中。从图4可以看出，高频都集中在导纳图的左边，并且大部分的频率点都集中在表的边缘，这意味着随着第二层FSS的加入反射频带加宽了。

图3（a） 一层FSS加一层垫片的导纳轨迹

图3（b） 一层FSS加一层垫片的 s11 和 s21

图3（c） 一层FSS加一层垫片的传输线等效电路

 

图4（a） 两层FSS加一层垫片的导纳轨迹

图4（b） 两层FSS加一层垫片的 s11 和 s21

图4（c） 两层FSS加一层垫片的传输线等效电路

4 结论

    本论文的目标是设计一个带阻FSS结构允许通过GPS & DCS1800信号，拒绝更高的频率信号。两层FSS，中间被泡沫垫片分开的结构被引导设计，并且通过仿真软件模拟得出频率响应。FSS结构给予了史密斯圆图和传输线理论的分析。