几种常见形状频率选择表面传输系数分析

论文总字数：13460字

目 录

1绪论 5

1.1简介 5

1.2研究背景及意义 5

1.3频率选择表面研究现状 7

2 频率选择表面滤波特性 9

2.1分类 9

2.2常见FSS单元尺寸及结构 10

2.3介质结构 12

3 HFSS电磁仿真软件 13

3.1 HFSS软件简介 13

3.2 基本操作步骤 14

4对几种FSS单元仿真分析 17

4.1 十字型单元 17

4.2 十字型45°排列单元 18

4.3 回字形单元 19

4.4 回字形加电阻单元 20

参考文献 22

致谢 23

几种常见形状频率选择表面传输系数分析

李凯伦

,China

Abstract: on account of the huge potential application value in the field of civil and military Frequency Selective Surface（FSS），The study of its structure and properties of more and more attention by the governments。Paper mainly discusses the several common shape FSS unit of transmission coefficient and comparative analysis，papers at the beginning this paper briefly introduces the research background and main application of FSS，after the selection of classic the structure and the influence factors of the resonant frequency of FSS unit were analyzed，by HFSS electromagnetic simulation software as the main application of antenna design simulation in recent years，Paper also introduced its principle and operation steps，The last of four common shape of FSS unit electromagnetic simulation and the result analysis，Including cross, cross type closely packed, returning the glyph, glyph and resistance。

Key words：FSS HFSS Cross patch Square ring path

1.绪论

1.1简介

FSS，全称(Frequency Selective Surface)，中文全称频率选择表面。FSS是由金属或介质单元在介质基底上按相同间隔周期性排列的三维结构，介质层通常为多层，简单的一般是单层介质。频率选择表面自己本身没有吸收入射波能量的性质，却可以起到滤波的作用，对入射波的频率进行过滤，对特定频率的电磁或光波选择性地反射或透射。正因为它可以选择性地反射或者透射电磁波，经常被作为空间滤波器，具体的应用在雷达带通天线罩，无线通信异频双工电台，或者是某些特定频率通带的吸波器件等方面。由于频率选择表面具有出空间性质的电磁波滤波器的性质，所以它在民用或者军事等方面有很大的应用价值，近些年来在国内外材料领域研究逐渐升温。

频率选择表面单元按照介质和金属的排布，可以分为两种类型:包括金属或介质贴片在介质基底上按相同间隔排布的贴片型，通常会作为带阻型滤波器的，在低频段附近呈现全透射性质、高频段附近呈现全反射性质；另一种是缝隙或者孔径在介质基底上按相同间隔排布的孔径型，通常作带通型滤波器，在低频段附近呈现全反射性质、高频段附近呈现全透射性质。频率选择表面的性质主要受于FSS单元的形状、大小尺寸和周期性排布方式影响，基本排布方式可以是相同的矩形或者三角形排布。介质层是构成频率选择表面屏的重要部分，其自身属性，包括厚度、介电常数、加载方式等也会对频率选择表面的性能产生影响。

图1.1 频率选择表面滤波原理

1.2研究背景及意义

在民用防护或者军事战争中，电子战干扰侦察技术在空间和信息领域的使用，已经逐渐成为决定的战争胜负的重要因素，如何降低武器系统雷达散射截面已经成为电子干扰侦查技术的主要研究方向。在影响雷达散射截面的因素中，飞机或导弹的雷达散射截面主要产生于头部的雷达天线，但是普通介质的雷达天线罩并不能减少RCS。而如果选择在雷达罩上采用吸波材料，尽管可以降低雷达散射截面，但是却会影响飞机自带雷达的性能。在这种情况下，采用频率选择表面作飞机雷达罩的防护材料就可以克服这种缺陷。

因为飞机自身的雷达和对方雷达的工作频段不同，采用频率选择表面覆盖在飞机的雷达天线以及附属部件的雷达罩上，不仅可以减少飞机的头部雷达散射截面，同时对自身雷达天线的性能干扰也会降到最低。采用带通滤波器特性的FSS天线罩，可以使雷达在天线的工作频率范围内，不影响天线的正常的前提前提下，同时获得最好的透射性能。在天线工作频率外，频率选择表面可以展现很好的反射性质，入射型号可以被雷达天线罩完全反射，不会透射过雷达罩，探测到内部的天线，有效地减少雷达散射截面。而带阻型的FSS天线罩，在雷达的工作频率内有很好的反射效果，保证天线在这一工作频率内的正常使用，而工作频率外的雷达波可以透过雷达罩表面，不会有很强的的反射性质，而对于带外透射的雷达波，可以在雷达天线罩结构中增加吸波材料，降低工作频率外的RCS。FSS材料作雷达天线罩有以下优点：不需要改动原来的雷达天线罩主要结构，只用FSS替代之前的介质雷达天线罩的优点，非常适合在现有的雷达天线设备上进作技术升级。

在空间探测领域，外空间或者空间站中电磁波的传输损耗，逐渐成为观测研究太空电磁波射线的主要问题，因此在卫星与地面通信过程中一般会选择使用高功率的抛物面天线。天线工程中面对的主要困难是，如何使加载天线能够更高效的工作，并且实现同时工作在多馈源、多频段。

为了满足工作天线所要求的频带范围，可以用频率选择表面作为副反射面。使得同一部抛物面天线可以对不同频段电磁波进行传输，实现卫星信号的高频段高性能传输的功能。它的基本结构和工作原理如图1.2所示，两个电磁波发射点放在频率选择表面天线结构的两边，呈对称性，发射点a位于主反射面焦点位置。发射点a发射的电磁波频带选择表面具有全透性质，处于a发射频段的电磁波完全透射，到达副反射面，然后被主反射面全部平行反射，发射点b对着频率选择表面发射电磁波，频率选择表面对处于这个频段的电磁波信号呈现全反射的性质，镜像原理，发射点b类比于放置在主反射面焦点位置，发射点b发出的电磁波信号同样是由主反射面完全平行反射出的。为了做到主反射面的高性能重复利用，仅需使用频率选择表面作主反射面的对应结构即可，可以做到提高卫星的通信频段，国内外已经有相当多的论文对频率选择表面作天线反射面展开了研究工作。对于多频段工作的FSS反射面天线结构，入射波的角度以及极化性质必须作为考虑因素，根据性能要求，尽量采用合适的频率选择表面结构，使采用FSS结构的天线反射面可以稳定入射并且不受极化性质影响，使设计的天线反射面可以满足工作要求。

除了在飞机隐身涂料、雷达天线罩中的一些应用外，在空间电磁观测领域应用也有非常大的发展。在紫外光、远红外频率波，太阳能选择表面、用作远红外激光器的激发器件，以提高激光器的工作功率。在超短频短频波段中，频率选择表面一般被用作制造外空间电磁波滤波器、异频双工电台、布里一帕罗干涉仪、分光仪。

图1.2 在多频段天线系统FSS作为天线反射面

1.3频率选择表面研究现状

17世纪左右，科学家F. Hopkinson在实验过程中，观测到当太阳光透过丝质手绢后产生奇怪的光散射。1775年，美国人D. Rittenhouse表示他已经发现了这些奇怪现象的背后原因。1819年，当时的人已经可以把太阳光分离成有着相异色彩的散射光，周期性分布光栅产生的一些现象逐渐成为当时人们研究的热点，这时周期光栅结构逐渐解开了它们神秘的面纱。

因为精确模型构建的困难性以及分析计算过程的复杂性，频率选择表面全面深入的研究和精准的计算分析，在20世纪50年代以后才逐步开展。高性能计算机的发展、各种电磁模拟仿真软件的问世以及印制电路技术的成熟，频率选择表面的研究有了更高程度的发展。70年代初，美国Ohio大学的的FSS研究小组用快速模型匹配法(mode matching method)对一些经典的FSS单元作了系统实验，B. A.Munk，R.J.Luebbs等人在1975年公布，小组已经做出了一个锥形雷达罩，在表面覆盖有频率选择表面材料，并在试验中验证。与此同时，T. K. Wu实验室深入多频复用雷达天线的研制，分析之前已经公布的FSS单元尺寸形状和介质基底，公布了多频复用天线的研究思想。

在频率选择表面隐身技术领域，美国欧洲已经有一些成熟的技术，并且一些实验室的模型也在逐步应用到生产中。在2000年11月，洛克马丁公司在公司报道中仔细讲解了有关F22战机表面及雷达隐身材料的设计思想，通过这篇报道，可以看出雷达天线罩已经逐渐成为新型战机最核心的技术之一。频率选择表面日渐成为世界各国的军事技术研究的热门，比如日本最新研制的心神战机，法国F2000战机的隐身涂料，频率选择表面已经成为未来战争隐身技术的核心。

对比外国，我国在FSS的民用军用领域研究虽然取得了一些成就，但还是与发达国家有一定差距，在我国频率选择表面研究主要集中在工程应用的领域。目前，国内在FSS的生产军事应用上还跟美欧国家的实际研究有着很大的差距。国内高校研究主要集中在对一些经典结构的FSS结构作了建模分析，对于一般性结构的频率选择表面的反射透射性质还没有进行深入研究。而在近年，我国空间探测技术发展很快，因此政府将频率选择表面作为飞机隐身涂料技术和雷达散射截面控制技术的主要攻坚方向。

FSS在军事隐身领域有着极大的研究价值，包括战机和潜艇雷达的防护材料，在军事上的潜在应用价值是其成为研究热点的主要原因，而高自由度、入射波高角度稳定性的频率选择表面正是战机隐身技术雷达罩涂料研发中所值得关注的，现在国内外的研究也主要以这些为方向。随着仿真分析技术发展，和组成FSS的介质单元结构也在多样化，如感性单元贴片类，如双环、多环、I字形、耶路撒冷形等，还有容性单元缝隙类。在国内外最近公布的文献中，有很多有关频率选择表面天线罩的实验成果。从这些文献中，可以看出当前研究的主要方向是:

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