帶阻頻率選擇表面的設計

　　1 引言

　　頻率選擇表面 (FSS)是二維周期陣列結構，它由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構成。這種表面可以在單元諧振頻率附近呈現全反射(貼片型)或全傳輸特性(孔徑型), 分別稱為帶阻或帶通FSS。實際的帶阻段是由一層或多層被介質層分開的FSS貼片層組成。為了FSS的頻率響應相對于入射角和極化的穩定性，金屬貼片層通常鑲嵌在多層介質層里。另外，兩層或多層FSS貼片層背靠背疊加在一起可以產生很好的通帶特性(平坦的通帶，陡降的邊帶)。

　　2 帶阻頻率選擇表面的設計

　　通常的帶阻濾波器是由兩層FSS金屬層和中間的介質層組成。中間的介質片決定了傳輸曲線通帶的平坦性，FSS金屬層決定了傳輸曲線的帶寬和諧振頻率。介質片的厚度和介電常數非常重要。介質片的厚度典型的被取在0.5

,

是阻帶中心的波長。兩個FSS層之間的介質層提高了帶阻濾波器相對于入射角的穩定性。盡管從穩定性的角度看，介電系數的值越高越好，但是高的值也引入了高的傳輸損耗。 這樣，根據設計需要，必須對介電系數的取值做綜合的考慮。

　　本文的目標是設計一個FSS結構能夠通過信號在GPS & DCS1800移動通信頻段并且拒絕在更高頻段的信號。圖1出示了設計出的頻率選擇表面的幾何形狀和構型。

　　它包括兩層被一片泡沫墊片隔開的FSS。圓形環狀的單元塊形狀被選擇因為它的好頻帶穩定性。FSS金屬層被嵌在介電系數

為3.5損耗因數為 0.0026的聚酰亞胺膜層上。泡沫墊片的厚度被取接近0.5

=

，那兒，FSS的諧振頻率為

，

。此帶阻濾波器的設計過程將用史密斯圓圖和傳輸線理論進行分析。

　　圖1 兩層圓形FSS結構

　　3 用史密斯圓圖和傳輸線理論分析和設計

　　設計從一層FSS開始，它由一片圓環形FSS金屬層嵌在一層介質層構成。介質層的介電系數為3.5，損耗因數為0.0026。結構被仿真軟件Ansoft DesignerTM 分析和設計。圖2(a)出示了一層FSS在1GHz到12GHz頻段上的阻抗，相應的傳輸和反射頻率響應也就是

和

出示在圖2(b)。一層FSS的傳輸線等效電路和相應的公式出示在圖2(c)。為了比較，在圖2(a)中5個點被標注，分別代表通帶在1GHz, 2GHz, 阻帶在5GHz、7GHz和9GHz。可以觀察到導納軌跡

　　圖2(a) 一層FSS的導納軌跡

　　(b)

　　圖2(b) 一層FSS的

和

　　圖2(c) 一層FSS的 傳輸線等效電路和公式

　　位于電導等于1的圈里，暗示正交導納的實部等于空氣的導納(也就是

=1/377 mhos)，這也可以從方程(1.2)和(1.3)獲得。從圖2(a)可以觀察到反射系數在9GHz時

，這和圖2(b)中在9GHz時

是一致的。

　　圖3出示了額外的一層厚度為25.4mm的墊片加到一層FSS結構上的結果。比較圖3(a)和圖2(a)，可以看到在1GHz只有小的變化，在2GHz導納值旋轉1200。這可以從方程(2.2)得到解釋。頻率在7GHz和9GHz的點變化到了導納圖的邊緣位置。暗示著在這些頻率點有高的反射系數，這也可以從圖3(b)看出。第二層FSS被加到墊片上，其結果顯示在圖4中。從圖4可以看出，高頻都集中在導納圖的左邊，并且大部分的頻率點都集中在表的邊緣，這意味著隨著第二層FSS的加入反射頻帶加寬了。

　　圖3(a) 一層FSS加一層墊片的導納軌跡

　　圖3(b) 一層FSS加一層墊片的 s11 和 s21

　　圖3(c) 一層FSS加一層墊片的傳輸線等效電路

　　4 結論

　　本論文的目標是設計一個帶阻FSS結構允許通過GPS & DCS1800信號，拒絕更高的頻率信號。兩層FSS，中間被泡沫墊片分開的結構被引導設計，并且通過仿真軟件模擬得出頻率響應。FSS結構給予了史密斯圓圖和傳輸線理論的分析。

　　圖4(a) 兩層FSS加一層墊片的導納軌跡

　　圖4(b) 兩層FSS加一層墊片的 s11 和 s21

　　圖4(c) 兩層FSS加一層墊片的傳輸線等效電路