基本介紹
- 中文名：頻率選擇表面
- 外文名：Frequency Selective Surface ,FSS
基本概念,基本分類,基本套用,
基本概念
頻率選擇表面(Frequency Selective Surface ,FSS) 是一種二維周期陣列結構,就其本質而言是一個空間濾波器,與電磁波相互作用表現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套用於微波、紅外至可見光波段。
基本分類
頻率選擇表面可以分為兩種：
1、貼片類型（介質類型），貼片類型是在介質表面周期性的標貼同樣的金屬單元，一般而言是作為帶阻型濾波器的；低頻透射，高頻反射；
2、開槽類型（波導類型），開槽類型是在金屬板上周期性的開一些金屬單元的槽孔，從頻率特性相應上看是帶通型頻率選擇表面；低頻反射，高頻透射。
基本套用
雷達罩：通過安裝頻率選擇表面減少雷達散射截面積。
卡塞哥倫天線副反射面：實現波束的復用與分離。
準光濾波器：實現波束的復用與分離。
吸波材料：基於高損耗的介質，可以實現大頻寬的吸波材料。
極化扭轉：折線形的頻率選擇表面是一個線極化變成圓極化的極化扭轉器。
天線主面：降低帶外的噪聲。
濾波機理
頻率選擇表面的濾波機理
頻率選擇表面和一般意義上的通過電容、電感組成的濾波器在目的上是一致。而濾波機理和有很大的區別。最大的區別是，一般的濾波器作用的對象是電路中的電流，而且一般濾波器我們主要關心通帶的波形是不是有畸變，而對於阻帶就就不必關心了。而頻率選擇表面是對於場的濾波器，不論是透射波還是反射波都是十分重要，不僅僅要關注其幅度、相位的變化，還要關心交叉極化和熱損耗等。
A、貼片類型：在介質表面周期性的標貼同樣的金屬單元。 貼片類型頻率選擇表面的等效電路
濾波機理：
假設電磁波入射從左向右入射到貼片型頻率選擇表面上。在平行於貼片方向的電場對電子產生作用力使其振盪，從而在金屬表面上形成感應電流。這個時候，入射電磁波的一部分能量轉化為維持電子振盪狀態所需的動能，而另一部分的能力就透過金屬絲，繼續傳播。換言之，根據能量守恆定律，維持電子運動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移到電子的振盪上，那么電子產生的附加散射場可以抵消金屬導線右側的電磁波的出射場，使得透射係數為零。此時，電子所產生的附加場同時也向金屬導線左側傳播，形成發射場。這種現象就是諧振現象，該頻率點成為諧振點。直觀的看，這個時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候，只有很少的能量用於維持電子做加速運動，大部分的能量都傳播到了貼片的右側。在這種情況下，貼片對於入射電磁波而言，是“透明”的，電磁波的能量可以全部傳播。這個時候，貼片型頻率選擇表面就成透射特性。
一般而言，貼片類型是作為帶阻型濾波器的。
等效電路：LC串聯
B、開槽類型：在金屬板上周期性的開一些金屬單元的槽孔。
濾波機理：
當低頻電磁波照射開槽型頻率選擇表面時，將激發大範圍的電子移動，使得電子吸收大部分能量，且沿縫隙的感應電流很小，導致透射係數比較小。隨著入射波頻率的不斷升高，這種電子移動的範圍將逐漸較小，沿縫隙流動的電流在不斷增加，從而透射係數會得到改善。當入射電磁波的頻率達到一定值時，槽兩側的電子剛好在入射波電場矢量的驅動下來回移動，在縫隙周圍形成較大的感應電流。由於電子吸收大量入射波的能量，同時也在向外輻射能量。運動的電子透過偶極子槽的縫隙向透射方向輻射電場，此時的偶極子槽陣列反射係數低，透射係數高。當入射波頻率繼續升高時，將導致電子的運動範圍減小，在縫隙周圍的電流將分成若干段，電子透過槽縫隙輻射出去的電磁波減小，因此，透射係數降低。而對於在遠離縫隙的金屬板上所產生的感應電流則向反射方向輻射電磁場，並且由於高頻電磁波的電場變化周期的限制了電子的運動，輻射能量有限。因此，當高頻電磁波入射時，透射係數減小，反射係數增大。
圖5-1 貼片類型頻率選擇表面的等效電路
圖3 貼片類型頻率選擇表面的等效電路
從頻率特性相應上看，開槽型頻率選擇表面是帶通型頻率選擇表面。
等效電路：LC並聯
C、貼片類型和開槽類型頻率選擇表面的關係：
在不考慮介質的情況下，他們是互補的，可以看出開槽類型的頻率選擇表面與貼片型頻率選擇表面相比，開槽型頻率選擇表面具有相反的頻率回響特性。在低於諧振頻率時，開槽類型的呈現感性電路特性；在高於諧振頻率是呈現容性電路特性。從等效電路方法的角度來看，開槽型頻率選擇表面可以表述為電容電感並聯的等效電路。在入射電磁波頻率為諧振頻率時，開槽型頻率選擇表面對諧振頻率的電磁波是“透明”的。而貼片類型的頻率選擇表面恰恰相反。
二、存在的問題，設計的思路
描述FSS 頻率回響特性的主要指標有中心頻率、中心頻率處的透過率、傳輸頻寬等。這些特性主要取決於FSS 諧振單元的形式,單元的排布方式以及周圍介質的電性能。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重要的影響因素。
1、在FSS 的實際工程套用中,很多情況下入射波的極化方式是未知的,並且入射角度範圍大,此時要採用一種對不同入射角度和極化方式性能都穩定的FSS 結構,即兼具極化和角度穩定性的FSS。
2、傳統正方形柵格排布的十字單元FSS 具有結構的對稱性,在正入射時具有極化穩定性,但是當入射電磁波的入射角度增大時, 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定性,漂移量很大。這是FSS 實現工程套用急需解決的問題。
同時對於FSS 極化穩定性的問題,正入射時可以選取對稱單元實現極化穩定性,但是工程套用中往往涉及到大的入射角度,此時僅僅依靠單元的對稱性已經不能實現結構的極化穩定性。
3、侯新宇等通過優選圖形單元2Y孔單元的方法來實現FSS 對入射角度的穩定性，但Y 形單元極化穩定性不好。
4、Munk 等則是採用載入電介質的方式改善大角度入射時FSS 的傳輸特性，但載入電介質又往往會增加傳輸損耗。
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現低通、高通、帶通和帶阻等不同的濾波器特性, 常被稱為頻率選擇表面(FSS)。習慣上, 低通和高通的FSS又分別被稱為感性FSS 和容性FSS。FSS 的套用幾乎涉及所有的電磁波譜, 如衛星天線的頻率復用、天線罩、電路模擬吸收體以及各種空間濾波器和準光頻率器件等。
由於結構複雜、參數眾多, FSS 的理論分析和設計非常困難。近年來已發展的一些數值方法, 如時域有限差分(FDTD )、有限元(FEM) 以及積分方程( IE) 方法等由於計算記憶體占用量大、計算量大, 從而導致計算效率很低。
FSS 在入射波作用下所表現出來的物理現象,可以通過傳輸線理論近似, 因此根據等效電路的原理, 加以不同的極化和角度入射條件, 可將FSS 單元用相應的電路元件來等效。從而對FSS 進行快捷的分析。形狀簡單的單元(帶柵型、格線型、柵環型、方環型等) , 其等效電路及相關的等效參數容易確定,而且分析結果與實際吻合很好[2, 3 ]。其它幾何形狀的單元, 則由於等效電路參數不易直接獲取而在套用中受到限制！
