文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

第10卷 第36期 2010年12月1671 1815(2010)36 8990 05

科 学 技 术 与 工 程

Sc ience T echno l ogy and Eng i nee ri ng

V o l

10 N o 36 D ec 2010 2010 Sci T ech Engng

通信技术

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

杨国辉 张 桐 李宛露 吴 群 顾学迈

(哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150001)

摘 要 提出了一种小型化的带阻型频率选择表面(FSS)新单元。这种新单元通过将方环内的部分分为四个对称区域,并在每个区域内增加三角螺旋结构来增加单元的谐振长度,从而实现了FSS 单元的小型化。仿真和实测的结果表明,这种F SS 的单元长度相比波长节省了近90%,同时对于以不同角度和极化方式入射的波具有极好的稳定性,适合在实际有限空间内应用。

关键词 频率选择表面 小型化 高稳定性中图法分类号 TN 713.1; 文献标志码

A

2010年9月28日收到

国家自然科学基金(60801015)和

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

(61001036)资助

第一作者简介:杨国辉,男,工学博士,哈尔滨工业大学讲师,研究方向:频率选择表面、RF M EM S 器件,相控阵天线等。

频率选择表面(Frequency Se lecti v e Surfaces ,简称FSS)是由周期性排列的金属贴片单元,或金属屏上周期性的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构

[1]

。FSS 与电磁波相互作用表现出明显的带通或

带阻的滤波特性[2]

,因此在微波和光学领域得到了

广泛的应用,可以用作反射面天线的副反射器实现反射面天线系统的频率复用,作为天线覆盖层增加微带天线的增益,也可应用到雷达罩上实现飞行器雷达设备的隐身

[3 6]

理论上频率选择表面是无限大的周期阵列结构,然而在实际应用中必然存在对其结构尺寸的限制,而单元数量过少的FSS 则无法保持其无限大周期阵列时的性质。实际上,在实际应用时对FSS 的单元数量都有一定的限制(一般不少于20 20)。因此,对于FSS 单元面积的小型化就非常具有实用意义。通过减小单元尺寸使得单位面积中能够排列更多数量的单元,因而其整体就能够更好地复现无限大周期时FSS 的特性。

目前在FSS 小型化上已经有许多不同的方法被

提出。K a m al Sarabandi 等提出了利用金属贴片和网状结构联合的双层结构

[7]

,能够使单元尺寸减小到

波长的20%左右;L i u H ui Lai 等人则利用加载电容和电感元件的方法使FSS 达到了较高的小型化[8]

,

但是同时也极大提高了制造的成本;而W entao T.

W ang 等

[9]

将六边形分形结构应用于FSS 上,在保

证稳定度的基础上也实现了一定的小型化。

现提出一种新型的小型化FSS 单元,并对其性能进行了理论分析,仿真和测试。与之前所提出的结构相比,本文提出的FSS 结构简单,易于制造,能够达到较高的小型化程度,同时还具有极好的角度稳定性和极化稳定性。

1 新型FSS 的单元结构设计

理论上,在波入射时FSS 的结构可以等效为一个LC 电路,每个单元的内部结构都可以等效为一定数值大小的电容和电感,而单元和单元之间也存在一定的电容或电感。因此,通过增大电容和电感的值,就可以减小相应的谐振频率,从而在应用为达到某一谐振频段所需要的单元尺寸就更小,即达到了小型化的效果。基于M unk 的理论,当FSS 单元图形的周长约为入射波长的整倍数时会产生谐振,因此通过增加其周长值,即增加电容与电感的

积值,便可以减小其中心频率。由此,设计FSS 的结构如图1所示。在方环结构的基础上,将内部分为四个对称部分,每一部分通过三角形结构进一步螺旋排列。这种紧凑的排列方式能够极大地利用内部空间,从而有效地提高了谐振周长,减小了谐振频率。实际上,可以通过进一步减小间距和金属条宽度来增大螺旋程度,进而提高小型化的效果,但是二者的数值也不宜过小,否则电磁波可能不按孔径传播,或会产生栅格现象。以图1所示螺旋程度的结构讨论实际FSS 的小型化性能,该FSS 结构的周期结构如图2

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

所示。

图1 FSS

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

单元结构图

图2 FSS 周期阵列结构图

为验证该结构的小型化性能,利用仿真软件CST M I CROWAVE STUD I O 对该FSS 在平面波入射条件下的传输系数进行了仿真。FSS 结构的参数如下:单元长度D =5.2mm,金属条宽度w 1=w 2=0.2mm,金属条之间的间距y 1=y 2=y 3=y 4=0.2mm,每个单元内金属方环与外介质板间距g =0.1mm,金属条的厚度t =0.05mm,介质板的厚度h =1.6mm,介电常数 r =5.0,正切损耗tan =0.025。图3为该小型化FSS 结构在TE 波和TM 波垂直入射时的传输系数。由图可见对垂直入射波谐振频率在6.045GH z 左右,相对于此结构单元的长度5.2mm,该小型化FSS 的单元相对尺寸仅为0.10 0.10 ,其中 代表谐振频率对应的波长长度。可见该FSS 结构的小型化性能远优于文献[7]中提出的结构;而-20dB 的阻带范围为(5.92 6.14)GH z ,在实际应用中可以通过调节内部螺旋

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

金属长度来调节带宽范围。

图3 FSS 在波垂直入射时的传输系数

2 小型化FSS 的稳定性

FSS 在实际应用,例如雷达罩等,考虑到其表面的形状以及入射到表面上的电磁波的极化方式,FSS 必须满足对不同的入射角度和不同的极化方式均具有稳定的频率响应特性,即FSS 的角度稳定性和极化稳定性。因此对该FSS 结构在TE 和TM 波以垂直,30!和60!入射时的传输特性进行的仿真,

仿真结果如图4和图5所示。同时将每种情况下的中心频率及阻带范围进行总结,如表1所示。

899136期杨国辉,等:一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

由图4、图5和表1可得:首先,对于不同角度不同极化方式的入射波,该FSS 的谐振频率具有极高的稳定性。以TE 波垂直入射时的谐振频率值为参照,则以其他角度和极化方式入射的波谐振频率的偏移量均不超过1%;其次,在带宽方面,该FSS 的稳定度依然较好。尽管在大角度入射时频带范围会有所偏移,但是仍然在实际应用所允许的偏差范围内。同样以TE 波垂直入射时的情况为参考,其阻带范围为(5.92 6.14)GH z ,带宽为0.22GH z 。而在偏差最大的TE 波60度入射的情况时,阻带的范围为(5.96 6.22)GH z ,带宽为0.26GH z ,和前者相比阻带偏移量为1%,带宽改变量为18%。因此,这两方面也证明了该FSS 结构具有较好的稳定性,

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

适合实际中在雷达罩等方面进行应用。

图4 FSS 在不同角度的TE

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

波入射时的传输系数

图5 FSS 在不同角度的TM 波入射时的传输系数

3 实验测试

为进一步验证该FSS 结构的小型化特性以及稳定性,对FSS 进行了加工(如图6所示),并在微波暗室进行测试。样本利用介电常数为 5.0的FR4介质板,大小为200mm 200mm,包含大约38 38个单元。测试系统主要包括矢量网络分析仪和两个双脊喇叭天线及转台。测试分为两步:首先测试无FSS 时的传输系数,建立参考基准;然后在接收喇叭处加入FSS 样板,以确保所有电磁波都是通过的FSS 样板后被接收,测试此时的传输系数,两者相比即可极大减小由于实验器材等产生的误差。测试的结果如图7至图12所示。由图可见,测试的结果与仿真的结果有着较好的吻合,谐振频率处漂移量不超过0.1GH z ,证明了该FSS 结构良好的小型化效果及高稳定性。

表1 FSS 在不同波入射时阻带参量值/GH z

起始频率

谐振频率终止频率带宽TE 波0!5.926.04 6.140.22T M 波0!5.936.05 6.150.22TE 波30!5.946.07 6.170.23T M 波30!

5.94

6.04 6.120.18TE 波60!5.966.1 6.220.26T M 波60!

5.95

6.02

6.12

0.

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

17

图6 FSS 实物结构图

8992科 学 技 术 与 工 程10卷

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

图7 T E

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

波垂直入射时仿真与实测的传输系数

图8 T M

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

波垂直入射时仿真与实测的传输系数

图9 TE 波30!入射时仿真与实测的传输系数

4 结论

为解决FSS 在实际引用中有限尺寸的问题,本文设计了一种新型的小型化FSS 。通过仿真和实测的结果证明,该新型FSS 结构的单元尺寸仅相当于谐振波长的10%左右,同时对于不同的极化方式和入射角度具有极高的稳定性,且与其他的小型化

FSS 相比结构简单,易于制作,因此在实际应用中具

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

有很高的参考价值。

图10 TM 波30!

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

入射时仿真与实测的传输系数

图11 T E 波60!

一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

入射时仿真与实测的传输系数

图12 T M 波60!入射时仿真与实测的传输系数

参 考 文 献

1 W u T K .Frequen cy selective s urface and grid array .N e w Y ork:W i

ley ,1995

2 M unk B A.Frequen cy s electi ve s u rf ace :t h eory and des i gn.N e w

Y ork:W il ey ,2000

899336期杨国辉,等:一种具有高稳定度的新型小型化频率选择表面

3 John H,W u Tekao,Lee Shung w u.Tri band frequency s electi ve s ur

face w i th circu l ar ele m ent.I EEE Tran s Antennas Propagti ons,1994;

42:166 175

4 Sarkar D,Sarkar P P,C ho w dhu ry S K.E xperi m ental i nvesti gati on of

a tri

b and frequen cy sel ecti ve s urface.M icrow ave Op t Technol ogy

Letter,2004;41:511 512

5 Lee Donghyun,Lee Y ongj u,Yeo Junho,et a l.D irecti vity enh ance

m ent of circu lar polarized patch an t enn a us i ng ri ng shaped frequ ency selecti ve surf ace s uperstrate.M i cro w ave Opt Technol ogy Letters, 2007;49(1):199 201

6 Li u Zhenguo,Zhang W enxun,Fu D aoli n,e t al.B roadband fabry

perot resonator pri n ted an tennas u si ng fss s up erstrate w it h dissi m ilar

size.M icrow ave Op t Techno l ology L etters,2008;50(6): 1623 1627

7 Saraband iK,Behdad N.A f requency s electi ve surface w i th m i n i at u r

ized el e m en ts.IEEE T ransacti on s and Antennas Propagati on,2007;

55(5):1239 1245

8 L i u H L,Ford K L,Langley R J.Des i gn m ethodol ogy f or am i n i at u r

ized frequ ency selecti ve s u rface us i ng l ump ed reacti ve compon ents.

I EEE T ransacti ons on Antennas and Propagati on,2009;57(9):

2732 2738

9 W ang W T,Zh ang P F,Gong S X,et a l.C o m pact angu larl y stab le

frequen cy selective surf ace us i ng h exagona l fractal con fi gurati on s.M i crowave and Op tical Technology Letters,2009;51(11):2541 2544

A NovelM i ni aturized Frequency Selective Surface of H igh Stability

YANG Guo hu,i ZHANG Tong,LIW an l u,WU Q un,GU Xue m a i

(S c h ool of E lectron ics and Infor m ati on Engi neering,H arb i n In stitute ofT echnology,H arb i n150001,P.R.Ch i na)

[Abstract] A novel ele m ent for band stop m iniaturized frequency se lecti v e surface is presented.In th i s ele m ent t h e area in the rectang le ring is split into four sy mm etry parts,and in each part by adding up triang le based sp ira l ele m en ts the resonant length of the e le m ent is leng thened,wh ich contri b utes to m iniaturization of un it ce ll?s d i m en si o n.Bo th si m ulation and experi m ents are carried ou.t Both results de m onstrate that the length of the unit cell of t h e pr oposed FSS is only about10%o f the co rresponding w ave length,and the m i n iaturization perfo r m ances are of excellent stab ility w ith respect to w aves of different po lar izati o ns and i n cident ang les,w hich ensures the FSS?s practicab ility in li m it space.

[Key words] frequency selective surface(FSS) m i n iaturizati o n h i g h stability

(上接第8989页)

The Speed adjusti ng Study of S RM Based on Fi n ite E le m entM ethod

MU H a i w e,i Z HAO Y an1,FU Guang jie,JIAO Shan yu

(E lectron ic S ci en ce C ollege,Northeast Petroleu m Un i versity,Daq i ng163318,P.R.Ch i n a;

Schoo l ofM ari ne A coustics,H arb i n Engi n eeri ng Un i versity,H arb i n150001,P.R.Ch i na)

[Abstract] B ecause the stator and ro tor po les of SR M has d istinct ter m i n al effec,t ax ia l fri n g ing and intense loca l saturation e ffec,t2 D and3 D fi n ite e le m entm ethod(FE M)are adopted to calcu late the m agnetic fie l d distribution and static characteristics of the SR M.The results of si m u lati o n have indicated distri b ution pri n c i p le of m agneti s m curve on several typ ica l rotor positions.And then the m agnetization curves o f e l e ctro m agnetic field in the SRM w ere si m ulated.Nonli n ear m odels of SRM w ere founded,and th ism odel for m ed SRM speed adjusti n g syste m.The si m u lation syste m can get good speed adjusti n g results w it h V oltage Chopper Contro l at the h i g h speed and Current Chopper Con tro l at the l o w speed.Fina ll y,usi n g prototype experi m ent validates the rati o na lity of FE M results and t h e correctness.

[Key words] s w itched re l u ctance m otor finite ele m ent analysis m agnetiza ti o n curves non li n ear m od el speed adjusti n g

8994科 学 技 术 与 工 程10卷