撕 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ电子测量技术 ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ Ｔ ＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 第３２０３１０卷第１年１月 期 ＦＳＳ设计中栅瓣现象的研究 王 婕邓 晖 董金明 （北京航空航天大学电子信息工程学院北京１００１９１） 摘要：栅瓣现象是影响频率选择表面（Ｆｓｓ）性能的重要因素，良好的ＦＳＳ设计需要在工作频段内尽量避开或削弱 栅瓣效应产生的影响。首先从电磁波传播的角度阐述了栅瓣现象产生的原因和条件。然后，依据周期结构的Ｆｌｏｑｕｅｔ 定理，总结了栅瓣与高阶Ｆｌｏｑｕｅｔ可传播模式之问的联系，并且给出了Ｆｌｏｑｕｅｔ模式的物理意义。同时针对厚壁波导 型ＦＳＳ结构进行仿真分析，研究其阵列周期及单元排布方式等因素对栅瓣的影响，并对大角度入射条件下的ＦＳＳ设 计提出了有价值的建议。 关键词：频率选择表面（ＦＳＳ）；Ｆｌｏｑｕｅｔ定理；Ｆｌｏｑｕｅｔ模式；栅瓣 中图分类号：ＴＮ９７３．３ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ｆｏｒ ＦＳＳ ｄｅｓｉｇｎ Ｗａｎｇ Ｊｉｅ Ｄｅｎｇ Ｈｕｉ Ｄｏｎｇ Ｊｉｎｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉＨａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＳＳ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ ＦＳＳ ｗｉｔｈ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ｏｒ ｗｅａｋｅｎｅｄ ａｓ ｃｏｕｌｄ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌ Ｆｌｏｑｕｅｔ ｍｏｄｅｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｌｏｑｕｅｔ ｔｈｅ０Ｉ＿ｅｎＬ Ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ－ｓｃｒｅｅｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｙｐｅ ＦＳＳ ｕｎｄｅｒ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｌａｒｇｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ａｎｇｌｅ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｃａｓｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｒａｙ ｔｙｐｅ，ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ｉｎ ｓｅｐａｒａｔｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｍｏｄｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＦＳＳ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ １ａｒｇｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ａｎｇｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ（ＦＳＳ）；Ｆｌｏｑｕｅｔ Ｔｈｅｏｒｅｍ；Ｆｌｏｑｕｅｔ Ｍｏｄｅｓ；ｓｉｄｅｌｏｐｅｓ ０引 言 ＣＳＴ结合Ｆｌｏｑｕｅｔ模式，针对大角度入射条件下圆波导厚 壁型ＦＳＳ的栅瓣现象进行了研究。 频率选择表面（ＦＳＳ）由周期性排列的单元构成，具有 在特定频段有选择性地透过或反射电磁波的特性。ＦＳＳ １周期结构的Ｆｌｏｑｕｅｔ定理与栅瓣现象 在多频段复用的天线（馈源）系统中有着广泛应用，也可 １．１栅瓣现象 用于天线罩以改善其隐身性能。国外针对ＦＳＳ的研究早 图１给出了一个简单的一维ＦＳＳ阵列，周期为Ｔ。当 在２Ｏ世纪６０年代就已展开，Ｂ ＭｕｎｋＥ 、Ｒ．Ｍｉｔｔｒａ＿２ 等 平面波以 角入射到ＦＳＳ平面上时，首先会在阵列表面上 为ＦＳＳ设计、分析做出巨大贡献。国内方面，侯新宇对多 激励起沿各个方向的散射波。但并不是所有这些散射波 种ＦＳＳ结构进行了广泛的研究ｌ３ ］，武哲主要依据模式匹 都可以离开阵列表面而向远处传播，而只有在满足一定相 配法研究了介质加载Ｌ６］、加工工艺ｌ７ 等对ＦＳＳ性能的 影响。 ＦＳＳ作为一种周期性电磁结构，其栅瓣的物理现象是 ＦＳＳ阵列 非常重要的。在ＦＳＳ设计中需要尽量避免其带来的影响。 研究表明，在电磁波大角度入射时，栅瓣的影响会变得更 加严重，此时在设计ＦＳＳ时需要准确地评估栅瓣。本文从 各个方向的散射波 周期结构的Ｆｌｏｑｕｅｔ定理＿８］出发，深人讨论了栅瓣现象及 其与Ｆｌｏｑｕｅｔ模式之间的对应关系，并借助电磁仿真软件 图１一维ＦＳＳ阵列及栅瓣示意图 ・ ２５ ・ 第３３卷 电子测量技术 Ｓｉｎｇｌｅ Ｌｉｎｅａｒ Ａｎｔｅｎｎａ ｉｎ ａ Ｌｏｓｓｙ Ｈａｌｆ－Ｓｐａｃｅ［Ｊ］． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， １９７９，３４（３）：３３１－３４３． ∞ ［２］ ＭＩＴＴＲＡ Ｒ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ－Ａ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ 接 ＩＥＥＥ，１９８８，７６（１２）：Ｐ１５９３—１６１５． 恻 ［３］ 侯新宇，万伟，等．对称双层ＦＳＳ的传输特性分析 ［Ｊ］．电子科学，１９９９，２１（４）：Ｐ５６９—５７２． Ｅ４］ 侯新宇，万伟，等．带有多层介质衬底ＦＳＳ的损耗和 频率／ＧＨｚ 带宽特性分析［Ｊ］．微波学报，１９９９，１５（４）：３６６—３７０． 图７通孔中无填充与填充石蜡后的三角排布 ［５］ 侯新宇，张澎，等．一种双曲率雷达罩的频率选择表 ＦＳＳ的主模透射系数曲线 面分片设计［Ｊ］．弹箭与制导学报，２００６，２６（１）： １２３—１２５． ３结 论 ［６３ 武振波，武哲，等．双层频率选择表面电磁特性数值 模拟研究［Ｊ］．电波科学学报，２００４，１９（６）：６６３—６６８． 在电磁波大角度入射的条件下，栅瓣现象对ＦＳＳ性能 Ｅ７］ 吕明云，武哲，等．工艺参数对频率选择表面传输特 的影响更加明显，此时可根据Ｆｌｏｑｕｅｔ定理与ＣＳＴ仿真软 性实验研究［Ｊ］．北京航空航天大学学报，２００６，３２ 件评估栅瓣现象的影响。在ＣＳＴ的仿真中，需要选择足够 （６）：７１３—７１５． 的Ｆｌｏｑｕｅｔ模式才能正确评估栅瓣效应，并且可通过增加 ［８］ 杜庆荣，董金明，等．频率选择表面电磁仿真［Ｊ］．电 端口与ＦＳＳ结构之间的距离来消除高阶Ｆｌｏｑｕｅｔ衰减模的 子测量技术，２００４（５）：２Ｏ一２１． 影响。对于６０。ＴＥ入射条件下的圆波导型ＦＳＳ，三角排布 作者简介 与正排布时相比，栅瓣的出现与破坏效果出现在更高频， 影响更小，并且在通孔内填充电介质可以使工作频段向低 王婕，女，１９８４年出生，２００７年毕业于 频移动，以避开栅瓣的影响。 西安电子科技大学，学士学位，现为北京 航空航天大学硕士研究生。主要研究方 参考文献 向为隐身雷达罩的性能分析与设计、ＦＳＳ ［１］ ＭＵＮＫ Ｂ久Ｐｌａｎｅ Ｗａｖｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｆｏｒ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ 应用技术研究等。 Ａｒｂｉｔｒａｒｉｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｉｅｃｅｗｉｓｅ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｅ－ｍａｉｌ－ｗａｎｇｊｉｅ ｓｏｐｈ＠１２６．ｃｏｒｎ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ａ （上接第１３页） 磁致伸缩波导丝的激励脉冲效果理想，线圈感应到的回波 ２００４，２５（４）：１３８—１４Ｉ． 信号经过差动放大和滤波处理后信噪比较高，波形良好， ［５］ 孙可，袁梅．磁致伸缩液位传感器信号拾取关键技 时间测量电路的精度较高，输出信号表明传感器整体性能 术的研究［Ｊ］．测控技术，２００５，２４（１２）：１５—１８． 良好，基本能够满足设计要求。使得基于磁致伸缩原理的 ［６］ 潘日敏，杨永才，虞翔．基于ＤＳＰ的磁致伸缩传感 位移传感器的产品化成为可能。 器位移测量研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５，２６（８）： 参考文献 ３５４—３５６． ［１］ 邬义杰．超磁致伸缩材料发展及其应用现状研究［Ｊ］． ［７］ 任波，陈祥光，姜波，等．磁致伸缩液位传感器机理 机电工程，２００４，２１（４）：５５—５９． 研究［Ｊ］．传感器技术，２００３，２２（１）：１５—１８． ［８］ 贾伯年，俞朴．传感器技术［Ｍ］．南京：东南大学出 ［２］ ＷＩＬＬＩＡＭＳ Ｒ Ｃ．Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］． 版社，２０００． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｎｇ．，１９５９，ＵＥ－７：１６—３８． 作者简介 ［３］ 姚世远．磁致伸缩直线位移传感器的机理研究与应 冯建，男，１９８６年出生，江苏南通人，上海交通大学电 用［Ｄ］．山西：太原理工大学，２００７． 子信息与电气工程学院仪器科学与工程系硕士研究生，主 ［４］ 李怀洲，李庆山，孙振伟，等．磁致伸缩位移传感器 要研究方向为位移传感器。 信号处理电路的研究与实现［Ｊ］．仪器仪表学报， Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎＮｉａｎ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ・ ２８・