An X-band miniaturized tunable FSS design
-
摘要: 频率选择表面（frequency selective surface，FSS）的研究中，小型化设计一直是研究的热点内容之一，小型化单元结构可以很好地增加FSS的稳定性.文章利用液晶材料给出一种基于三层互耦结构的可调谐FSS单元的设计，为了将每个单元的金属结构连接起来，添加了集总元件来馈电.结果表明，该结构单元尺寸相当于工作波长的1/16，连续可调谐范围可达11.3%.本文所设计结构具有小型化和可调谐的特性，为FSS的设计提供了新的设计思路，具有一定的理论指导意义和实用价值.Abstract: In the research of frequency selective surface(FSS), miniaturization design has always been one of the hot topics of research, and the miniaturized unit structure can greatly improve the stability of FSS. In this paper, a liquid crystal material is used to design a tunable FSS unit based on a three-layer mutual coupling structure. In order to connect the metal structures of each unit, a lumped element is added to feed. The results show that the size of the structural unit is equivalent to 1/16 of the operating wavelength, and the continuous tunable range is up to 11.3%. The structure designed in this paper has the characteristics of miniaturization and tunability, which provides a new design idea for the design of FSS, and has certain theoretical guiding significance and practical value.
-
Keywords:
- FSS /
- liquid crystal /
- X band /
- tunable /
- miniaturization /
- lumped elements
-
0 引言
小型化频率选择表面(frequency selective surface, FSS)的研究一直是FSS领域发展的重要分支, 从小型化FSS发展至今来看, 它大多使用单元曲折技术、容感性表面耦合原理和集总元件加载来使单元尺寸远小于工作波长.小型化不仅使得单元尺寸减小, 在有限的空间内增加集成度, 也可有效地避免栅瓣等现象发生, 提高大角度入射的稳定性[1-2].
早在20世纪末期, 就有研究人员通过将单元结构进行卷曲的设计方法来实现FSS小型化.实际上, 将单元结构进行卷曲是通过增加单元结构中的谐振长度, 进而来增加FSS的谐振频率的波长.这种方法虽然可以有效地增加谐振电长度, 但紧密复杂的结构使得FSS的实际制作难度增加, 且极易发生不良的互耦影响滤波特性.
直到21世纪初, Nader Behdad等学者通过感性表面和容性表面互补结构的异面耦合作用来增加FSS结构中的LC值. FSS的等效LC值越大, FSS的谐振频带额度中心频点越小, 工作波长越大, 即实现了FSS结构的小型化设计[3-4].
最近几年, 对于小型化FSS的设计开始着眼于集总元件的加载上.加载集总元件实际上也是在原有的FSS结构上增加其LC值, 使得FSS的等效LC值增大, 进而缩小了FSS的单元结构尺寸.加载集总元件的小型化FSS包括:电容、电感、PIN二极管、变容二极管等.一般这些集总元件都需要有源电控来同时实现可重构的设计, 因此可重构FSS的设计方法也相应地越来越多.在这些设施方法的基础上, 本文提出一种基于电阻和电感加载的X波段液晶调谐FSS结构, 为基于液晶的可调谐FSS设计提供一种新的思路[5].
1 单元结构
如图 1所示, X波段小型化FSS的基本结构是一个三层异面的金属互耦单元.区别于一般的三层互耦结构, 在中间层添加一个金属片来增强耦合效应, 同时对三层金属贴片进行分形设计来提高FSS的透射能力, 集总元件将分散的各个贴片连接起来用来馈电.整个单元结构的尺寸为2 mm×2 mm×0.25 mm, 相当于工作波长的1/16, 结构小型化效果明显.基板的材料是介电常数ε=2.2的聚四氟乙烯, 电阻R=1 000 Ω, 电感L=20 nH, 其他的结构参数由表 1给出.其中, Dx和Dy表示中间层单元边长, a为中间层内贴片上小正方形边长, b为中间层内贴片上缝隙宽度, c为中间层内贴片上缝隙长度, ω为中间层外环宽度, L和R分别为加载的电感与电容, h为介质层厚度.
![]()
图 1 X波段小型化可调谐FSS结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of X-band miniaturized tunable FSS structure表 1 FSS单元结构参数Tab. 1 FSS unit structure parametersmm Dx Dy a b c w 2 2 0.8 0.15 0.3 0.15 图 2给出了垂直入射时调谐前后的传输系数.通过仿真结果可以知道平面波垂直入射的时候, 在εper=2.5和εpar=3.3的条件下, 尽管入射的极化方式不同, 但该结构的传输系数曲线基本吻合.因此该结构在调谐前后都具有很好的极化入射稳定性.
![]()
图 2 垂直入射时调谐前后的传输系数Fig. 2 Transmission coefficients before and after tuning at normal incidence图 3和图 4分别是在εper=2.5和εpar=3.3下, 通过CST软件仿真结算得到的0°到60°斜入射下的传输系数.不论在εper=2.5还是εpar=3.3, TE极化斜入射时, 随着角度变大, FSS的谐振中心频率基本保持不变, 带宽变窄, 透射性能下降. TM极化斜入射时, 随着角度变大, FSS的谐振中心频率向高频偏移, 带宽变大, 但是透射性能保持不变.综上可以看出, 该结构在调谐前后都对极化不敏感, 且在斜入射情况下, 不论是TE还是TM模式, 谐振特性都保持良好, 斜入射角度可达60°.
![]()
图 3 εper=2.5时不同入射角下的传输系数Fig. 3 Transmission coefficient at different incident angles at εper=2.5![]()
图 4 εper=3.3时不同入射角下的传输系数Fig. 4 Transmission coefficient at different incident angles at εper=3.3综上所述, 该X波段小型化FSS的大角度入射稳定性良好, 角度入射可达60°, 且该小型化FSS的-3 dB带宽可达2 GHz左右.
2 仿真结果与分析
下面对εper=2.5和εpar=3.3时进行分析, 先探究耦合贴片宽度a对滤波特性的影响.不改变该结构的其他参数, 只将参数a在0.5 ~0.7 mm区间内改变, 变化梯度为0.1 mm.其传输性能和调谐能力如图 5所示, 表 2为其仿真结果.
![]()
图 5 耦合贴片宽度a对滤波特性的影响Fig. 5 Effect of coupled patch width a on filtering characteristics表 2 耦合贴片宽度a的调谐性能Tab. 2 Tuning performance table of coupled patch width a耦合贴片
宽度a/mmεper=2.5
时的中心
频率/GHzεpar=3.3
时的中心
频率/GHz调谐能力
(相对于
低频)/%0.5 14.09 12.84 9.74 0.6 12.53 11.29 11.00 0.7 11.33 10.19 11.20 从图 5和表 2可以看出, 随着耦合贴片宽度a参数的增加, 调谐能力虽然逐渐增大, 但增大的调谐范围越来越小, 且谐振频率的中心频点f0向左偏移.内部贴片部分耦合宽度a增大时, 耦合面积也随之增加, 所以耦合电容的值也变大, 调谐能力增强, 中心频点f0减小.
下面对该结构的介质层厚度h进行仿真分析, 探究参数h对调谐能力和FSS谐振特性的影响.保持该结构中的其他参数不变, 在液晶介电常数从εper=2.5到εpar=3.3, 介质层厚度h在0.125~ 0.195 mm区间变化时, 分析其传输性能和调谐能力.如图 6所示为仿真结果图, 同样地, 表 3为其结果对比.
![]()
图 6 介质层厚度h对调谐性能的影响Fig. 6 Effect of dielectric layer thickness h on tuning performance表 3 不同介质层厚度h的调谐性能Tab. 3 Tuning performance table of thickness h of different dielectric layers介质层厚
度h/mmεper=2.5
时的中心
频率/GHzεpar=3.3
时的中心
频率/GHz调谐能力
(相对于
低频)/%0.125 10.63 9.55 11.3 0.160 11.36 10.22 11.2 0.195 12.00 10.81 11.0 从图 6和表 3可以发现, 随着介质层厚度的增加, 调谐能力逐渐变差, 谐振频率的中心频点向着高频方向偏移.这是因为上下层耦合的电容值和层间距离d呈负相关, 介质层厚度h即层间距离d增加时上下金属层的耦合作用减弱, 等效电容值减小.因此介质层厚度h越大, FSS的可调谐范围就越小.而对于整体FSS结构而言, 等效电容值减小, 谐振频率f0向高频偏移.
综上所述, 此X波段小型化可调谐FSS的周期单元尺寸相当于工作波长的1/16, 仿真计算结果表明该结构具有良好的连续调谐性能, 且大角度入射稳定性可达60°.
3 结论
本文设计了一种基于液晶的具有连续可调谐小型化FSS结构.该结构连续可调谐范围可达11.3%, 验证了液晶材料用于可调谐FSS设计的可行性, 为基于液晶的可调谐FSS设计提供了新的思路.但是该设计还有需要提升的方面, 主要是由于结构尺寸过小, 馈电结构的可行性还需要进一步实验研究来验证.
-
![]()
图 1 X波段小型化可调谐FSS结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of X-band miniaturized tunable FSS structure
![]()
图 2 垂直入射时调谐前后的传输系数
Fig. 2 Transmission coefficients before and after tuning at normal incidence
![]()
图 3 εper=2.5时不同入射角下的传输系数
Fig. 3 Transmission coefficient at different incident angles at εper=2.5
![]()
图 4 εper=3.3时不同入射角下的传输系数
Fig. 4 Transmission coefficient at different incident angles at εper=3.3
![]()
图 5 耦合贴片宽度a对滤波特性的影响
Fig. 5 Effect of coupled patch width a on filtering characteristics
![]()
图 6 介质层厚度h对调谐性能的影响
Fig. 6 Effect of dielectric layer thickness h on tuning performance
表 2 耦合贴片宽度a的调谐性能
Tab. 2 Tuning performance table of coupled patch width a
耦合贴片
宽度a/mmεper=2.5
时的中心
频率/GHzεpar=3.3
时的中心
频率/GHz调谐能力
(相对于
低频)/%0.5 14.09 12.84 9.74 0.6 12.53 11.29 11.00 0.7 11.33 10.19 11.20 
下载: 导出CSV
表 3 不同介质层厚度h的调谐性能
Tab. 3 Tuning performance table of thickness h of different dielectric layers
介质层厚
度h/mmεper=2.5
时的中心
频率/GHzεpar=3.3
时的中心
频率/GHz调谐能力
(相对于
低频)/%0.125 10.63 9.55 11.3 0.160 11.36 10.22 11.2 0.195 12.00 10.81 11.0
下载: 导出CSV
-
[1] HU W, DICKIE R, CAHILL R, et al. Liquid crystal tunable mm wave frequency selective surface[J]. IEEE microwave & wireless components letters, 2007, 17(9):667-669. http://d.old.wanfangdata.com.cn/NSTLQK/NSTL_QKJJ021768159/
[2] BOSSARD J A, LIANG X, LI L, et al. Tunable frequency selective surfaces and negative-zero-positive index metamaterials based on liquid crystals[J]. IEEE transactions on antennas & propagation, 2008, 56(5):1308-1320. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=765f6c2b5b62c883bd9fabf3ea624002
[3] TAREKI A M, RIVERA E, HOKMABADI M P, et al. Liquid crystal frequency tunable terahertz metamaterial absorber[C]//2016 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO). San Jose: IEEE, June 5-10, 2016.
[4] NOVIN S N, JARCHI S, YAGHMAEE P. Tunable frequency selective surface based on IDC-loaded electric-LC resonator incorporated with liquid crystal[C]//2017 Conference on Microwave Techniques (COMITE). Brno, IEEE, 20-21 April, 2017.
[5] ARAD U, COREM Y, FRENKEL B, et al. MEMS wavelength-selective switch incorporating liquid crystal shutters for attenuation and hitless operation[J]. 2013 International Conference on Optical Mems and Nanophotonics (OMN). Kanazawa, 18-22 August, 2013: 73-74.
-
期刊类型引用(2)
1. 焦煜洋，陈志红，姜铁华. S波段准椭圆响应带通频率选择表面设计研究. 宇航总体技术. 2024(03): 37-43 . 
百度学术
2. 黑彦霖，汪敏，吴宜周，吴文. 高增益高效率的Fabry-Perot谐振腔天线研究. 电波科学学报. 2021(05): 721-729 . 本站查看
其他类型引用(3)
计量
- 文章访问数: 281
- HTML全文浏览量: 99
- PDF下载量: 38
- 被引次数: 5
