电子技术研发Electronics R&D 电子技术 10.3969issn1000-0755.2018.07.007 频率选择表面基本理论及其应用研究 罩凤 (广东理工学院电气工程系，广东肇庆526100) 摘要：频率选择表面作为一种在空间中实现频率选择的空间滤波器，对电磁波具有良好的频率选择性 。同村相对干传练滤被器而言频率洗择表面具有结构简单易干加工等优占因而被广泛应用干制作 天线罩、反射器、 波导滤波器等方面 也，因此受到国内外研究学者的广泛关注。在介绍了频 率选择表面基本理论的基础上，通过对贴片型的频率选择表面进行等效电路建模详细分析了其滤波机理， 并基干上术理论分析简要总结了国内外场率洗择表面的主要研究成果及其应用现状。 关键词：微波通信；频率选择表面；综述；基本理论；研究现状 中图分类号·TN454 文献标志码：A Research On The Basic Theory And Application of Frequency Selective Surface (Department of Electrical Engineering.Gu g Polytechnic College,Zhaoqing 526100) Abstract:As a spatial filter for frequency selection in space,frequency selective surface has good frequency selectivity for electromagne c waves.A uency selective surface has the adva ages or simpl an ng compare wthme time. 0 0 the of f zed in d uivale the status of frequency selective surface at home and abroad are summarized. research results and Key words:Microwave communication;frequency selective surface,overview,basic theory:research status 前言：频率选择表面(Frequency Selective 频率选择表面通常是由介质基板和周期排列的 Surfaces ESs)是一种将金屁贴片成孔径型的谐提 FSS谐振单元组成的二维结构。能移实现对电磁被 单元按二维方式排列在介质表面，组成无限大周期 频率、极化以及入射角度的选择。作为结构比较简 性的阵列结构 可实现对电磁波传输的有效控制 单的空间滤波器 ,传统的无源频率选择表面能够对 实现频率选择的作用。 当电磁波频率与单元谐振频 电磁波实现较好的频率选择 无源频率选择表面通 率相等时，下SS能呈现出全反射或全透射的特性川， 过将无源指振器按一定方式周期排列而构成。通过 从而表现出明显的带涌或带阳的法波效果，因出 合理的单元设计以及周期结构的排列方式设计 就其对电磁波的特性而言 频率选择表面相当于 FSS可以在电磁被传输过程中实现良好的选择性 间滤波器。 由门于频率选表面这种独特的空间滤 对带通内的电磁波呈现全通特性，而对通带外 特性.使其在制作天线置24、极化器56、平面高增 的电磁波则呈现出全反射的特性。 治天线以及由磁兼容吸收体等领城具有广泛 一般而言，传统频率洗择表面的周期单元句括 应用。本文首先简要介绍了频率选择表面的基本概 缝隙型和贴片型这两种互补的结构形式。若忽略介 念及其结构特点，并以传统的贴片型FSS周期单元 质对FSS特性的影响，缝隙型和贴片型的频率选料 为例洋细分析了其等效申路建模及楼波机理等基木 表面具有互补的顿率向应特性。逢隙型SS,又称 理论，最后对频率选择表面的主要研究成果及应用 开槽型或波导型FSS.是通过在金属板上开一些周 现状进行了总结。 期排列的槽构成，从频率特性上看呈现带通的滤波 特性。而贴片型FSS, 也叫介质型FSS,则是采用有 1频率选择表面基本理论 介质表面周期性的标贴金属贴片单元来形成，一般 1)结构特点 呈现带阻滤波的特性 1994-2018 China Academie Joural Eleetronie Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
23 电子技术研发 Electronics R & D 10.3969/j.issn.1000-0755.2018.07.007 前言：频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，FSS)是一种将金属贴片或孔径型的谐振 单元按二维方式排列在介质表面，组成无限大周期 性的阵列结构，可实现对电磁波传输的有效控制， 实现频率选择的作用。 当电磁波频率与单元谐振频 率相等时，FSS能呈现出全反射或全透射的特性[1]， 从而表现出明显的带通或带阻的滤波效果，因此， 就其对电磁波的特性而言，频率选择表面相当于空 间滤波器。 由于频率选择表面这种独特的空间滤波 特性，使其在制作天线罩[2-4]、极化器[5-6]、平面高增 益天线[7-8]以及电磁兼容吸收体[9]等领域具有广泛的 应用。本文首先简要介绍了频率选择表面的基本概 念及其结构特点，并以传统的贴片型FSS周期单元 为例详细分析了其等效电路建模及滤波机理等基本 理论，最后对频率选择表面的主要研究成果及应用 现状进行了总结。 1 频率选择表面基本理论 1）结构特点 频率选择表面基本理论及其应用研究 覃 凤 (广东理工学院 电气工程系，广东 肇庆 526100) 摘 要: 频率选择表面作为一种在空间中实现频率选择的空间滤波器，对电磁波具有良好的频率选择性 。同时，相对于传统滤波器而言，频率选择表面具有结构简单，易于加工等优点，因而被广泛应用于制作 天线罩、反射器、人工磁导体、波导滤波器等方面，也因此受到国内外研究学者的广泛关注。在介绍了频 率选择表面基本理论的基础上，通过对贴片型的频率选择表面进行等效电路建模详细分析了其滤波机理， 并基于上述理论分析简要总结了国内外频率选择表面的主要研究成果及其应用现状。 关键词: 微波通信；频率选择表面；综述；基本理论；研究现状 中图分类号：TN 454 文献标志码：A Research On The Basic Theory And Application of Frequency Selective Surface Qin Feng (Department of Electrical Engineering, Guangdong Polytechnic College, Zhaoqing 526100) Abstract: As a spatial filter for frequency selection in space, frequency selective surface has good frequency selectivity for electromagnetic waves. At the same time, frequency selective surface has the advantages of simple structure and easy processing compared with the traditional filters. Therefore, it has been widely used in the production of radome, reflectors, artificial magnetic conductors, waveguide filters and so on. Frequency selective surface also has received a lot attention from researchers both at home and abroad. On the basis of introducing the basic theory of frequency selective surface, the filtering mechanism of patch type frequency selective surface is analyzed in detail by equivalent circuit modeling. Based on the analysis above, the main research results and application status of frequency selective surface at home and abroad are briefly summarized. Key words: Microwave communication; frequency selective surface; overview; basic theory; research status 频率选择表面通常是由介质基板和周期排列的 FSS谐振单元组成的二维结构，能够实现对电磁波 频率、极化以及入射角度的选择。作为结构比较简 单的空间滤波器，传统的无源频率选择表面能够对 电磁波实现较好的频率选择，无源频率选择表面通 过将无源谐振器按一定方式周期排列而构成。通过 合理的单元设计以及周期结构的排列方式设计， FSS可以在电磁波传输过程中实现良好的选择性 ——对带通内的电磁波呈现全通特性，而对通带外 的电磁波则呈现出全反射的特性。 一般而言，传统频率选择表面的周期单元包括 缝隙型和贴片型这两种互补的结构形式。若忽略介 质对FSS特性的影响，缝隙型和贴片型的频率选择 表面具有互补的频率响应特性。缝隙型 FSS，又称 开槽型或波导型 FSS，是通过在金属板上开一些周 期排列的槽构成，从频率特性上看呈现带通的滤波 特性。而贴片型FSS，也叫介质型FSS，则是采用在 介质表面周期性的标贴金属贴片单元来形成，一般 呈现带阻滤波的特性
电子技术研发Electronics R&D 电子技术 2)滤波机理 反射回来， 形成反射场。这种现象就是谐振现象 频率选择表面相比于 一般意义上采用电感 这一特定电磁波频率即为谐振频率。宏观看来，产生 容等分立元件所组成的滤波器，具有相同的目的。 谐振之后的贴片型SS对电磁波表现出全反射特性。 但就法波机理来说。两者有很大的风别。最主要的 当入射电磁波的频率不是上述谐振频率时，用 区别在于，采用电感、电容组成的滤波器以电路中 于维持电子运动的能量只是入射电磁波中很少的 的由洁作为作用对象而率洗轻面的作用对 部分 而绝大部分能量都能透过FSS继续传播。因 是电磁场 对于传统滤波器我们主要 此，此时的金属贴片对入射电磁波来说，相当于·“透 心其通带内波形的畸变情况，并不关心通带外的特 明”的.即贴片型频率洗怪表面对非谐振频率的申脑 性，但由干下SS屈干场的波波器，因此通带内的诱 波表现出全透射性。综上所述，贴片性FSS对电磁 射波以及带外反射波都是我们关注的对象，并且关 波呈现带阻滤波的特性。 注的特性也不仅限于电磁波的幅度和相位变化，还 如图2所 贴片型频率选择表面的单个金属 包括其热损耗以及交叉极化等 片呈现电感效应， 而相邻金属贴片之间存在电容效 以传统的贴片型频率选择表面为例，如图1所 应，因此可近似将贴片型FSS等效为如图所示的Ld 示可从如下角度来理解其带阻特性： 若是将贴 串联法波电路。由LC串联电路的滤波原理不难得出： 片结构的尺寸无限缩小，FSS单元即变为一个完整 贴片型FSS对电磁波呈带阻特性。 的介质表面，入射波就会发生全透射，此时便可以 在此基 若将贴片逐渐增 实现电液工在介质板特加金贴片，根据 传输理论，部分波（波长与贴片尺寸相比拟的入 被)将被该金属贴片结构反射回来，从而为对电磁波 的传输表现出带阳特性】 反射中特沙 别 蓝2贴片型频率选择表面的等效电路建 2频率选择表面的应用现状 工 频率选择表面的重要用途之一就是用作雷达天 线罩，实现减小甚至抑制天线雷达散射截面(Rada 图1额率选择表面的滤液机理 平面波照射下， 3)等效电路建模分析 测目标在给定方向上将会有返回的散射能景， 如图1所示，贴片型FSS的滤波过程为：当一束 达散射截面就是对这种能量的量度。RCS一般可用 电磁波入射到贴片型FSS的表面 金属贴片表面的 来表示目标的雷达可检测性，目标被雷达发现的可 电子将在平行于贴片方向的电场作用下产生振荡】 能性随着RCS的取值减小而减小。有效减小探测目标 从而在金屈表面上形成感应电流。如此一来。入年 RCS对于复杂电磁环境下的作战具有重大意 电磁波的部分能量将转化为动能，用以维持金属表 近年来，随着雷达探测以及隐身技术的不断发展 面电子的振荡，即这部分能量被电子所吸收；余 部 分的电磁 复杂目标表面RCS值的控制与缩减得到了越来越多 能量则可以透过FSS继续传播， 研究学者的重视。而频率选锋表面在宙达大线罩方 在某一特定频率下，入射电磁波的全部能量都被转 面的应用就可以实现有效诚小雷达散射截面，对目 化为电子振荡所需的动能，即全部能量都被电子吸 标的隐身性起到了关键性的作用2。 收，则没有能量透过FSS传输，透射系数为零。与此 同时、由振荡电子产生的附加场在金属贴片表面被 FSS还可用作极化器。如Ronald A.Marino在义 献中针对图3所示的曲折线形频率选择表面提出了 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved.http:/ //www.cnki.ne
24 电子技术研发 Electronics R & D 2）滤波机理 频率选择表面相比于一般意义上采用电感、电 容等分立元件所组成的滤波器，具有相同的目的。 但就滤波机理来说，两者有很大的区别。最主要的 区别在于，采用电感、电容组成的滤波器以电路中 的电流作为作用对象，而频率选择表面的作用对象 是电磁场；另一方面，对于传统滤波器我们主要关 心其通带内波形的畸变情况，并不关心通带外的特 性，但由于FSS属于场的滤波器，因此通带内的透 射波以及带外反射波都是我们关注的对象，并且关 注的特性也不仅限于电磁波的幅度和相位变化，还 包括其热损耗以及交叉极化等。 以传统的贴片型频率选择表面为例，如图1所 示[1]，可从如下角度来理解其带阻特性： 若是将贴 片结构的尺寸无限缩小，FSS单元即变为一个完整 的介质表面，入射波就会发生全透射，此时便可以 实现电磁波的全通；在此基础上，若将贴片逐渐增 大，则相当于在介质板上增加金属贴片，根据波的 传输理论，部分波（波长与贴片尺寸相比拟的入射 波）将被该金属贴片结构反射回来，从而对电磁波 的传输表现出带阻特性。 图1 频率选择表面的滤波机理 3）等效电路建模分析 如图1所示，贴片型FSS的滤波过程为：当一束 电磁波入射到贴片型FSS的表面，金属贴片表面的 电子将在平行于贴片方向的电场作用下产生振荡， 从而在金属表面上形成感应电流。如此一来，入射 电磁波的部分能量将转化为动能，用以维持金属表 面电子的振荡，即这部分能量被电子所吸收；余下 部分的电磁波能量则可以透过FSS继续传播。如果 在某一特定频率下，入射电磁波的全部能量都被转 化为电子振荡所需的动能，即全部能量都被电子吸 收，则没有能量透过FSS传输，透射系数为零。与此 同时，由振荡电子产生的附加场在金属贴片表面被 反射回来，形成反射场。这种现象就是谐振现象， 这一特定电磁波频率即为谐振频率。宏观看来，产生 谐振之后的贴片型FSS对电磁波表现出全反射特性。 当入射电磁波的频率不是上述谐振频率时，用 于维持电子运动的能量只是入射电磁波中很少的一 部分，而绝大部分能量都能透过FSS继续传播。因 此，此时的金属贴片对入射电磁波来说，相当于“透 明”的，即贴片型频率选择表面对非谐振频率的电磁 波表现出全透射性。综上所述，贴片性FSS对电磁 波呈现带阻滤波的特性。 如图2所示，贴片型频率选择表面的单个金属贴 片呈现电感效应，而相邻金属贴片之间存在电容效 应，因此可近似将贴片型FSS等效为如图所示的LC 串联滤波电路。由LC串联电路的滤波原理不难得出： 贴片型FSS对电磁波呈带阻特性。 图2 贴片型频率选择表面的等效电路建模 2 频率选择表面的应用现状 频率选择表面的重要用途之一就是用作雷达天 线罩，实现减小甚至抑制天线雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)的目的。在平面波照射下，探 测目标在给定方向上将会有返回的散射能量，而雷 达散射截面就是对这种能量的量度。RCS一般可用 来表示目标的雷达可检测性，目标被雷达发现的可 能性随着RCS的取值减小而减小。有效减小探测目标 的RCS对于复杂电磁环境下的作战具有重大意义。 近年来，随着雷达探测以及隐身技术的不断发展， 复杂目标表面RCS值的控制与缩减得到了越来越多 研究学者的重视。而频率选择表面在雷达天线罩方 面的应用就可以实现有效减小雷达散射截面，对目 标的隐身性起到了关键性的作用[2-4]。 FSS 还可用作极化器。 如Ronald A. Marino在文 献[5]中针对图3所示的曲折线形频率选择表面提出了
电子技术研发Electronics R&D 电子技术 一种有效的等效由路植型对曲折线形下ςS转恋由磁 模型，详细分析了频率选择表面的滤波机理。最后」 波极方式的原理作了详细分析。具体来说 曲折线形 基于以上分析，简要总结了近年来国内外有关频幸 SS对于一束垂直极化的E场而言，可以看作等效传 选择表面的主要研究成果及其应用现状。 输线的一个分流电感，而对于水平极化的入射波 则可以采用分流电容来等效。当入射波为45°的线极 参老文献 化波时，可分解为垂直和水平两个方向的分量、且 [山MUNK BA,侯新宇（译）.频率选择表面理论与设 垂直分量相位延迟 水平分量的相位提前。如此 计M北京：科学出板社2009 来， 当这束线极化波通过曲折线形FSS极化器后，两 [2]GUSTAFSSON M.RCS reduction of integrated 分量间的相位差变为90°，从而形成了圆极化波。由 antenna arrays and radomes with resistive sheets[J 此可见曲折线形下SS可以作为极化器将 一束线极化 IEEE Antennas and Propagation Society,2006. 波转换为圆极化波。即实现对由磁波化方式的转弯 ol2013479.3482 出外 [B】冯林低RCS香达天线技术的研究和应用 器，该极化器的 同样 电 1995,23(10 164-167 可实现将线极化波被转换为圆极化波的极化方式转变。 4阮颖静飞行器雷达天线系统隐身技术隐身技， 1992611:8-14 [5]RONALD A M.Accurate and Efficient Modeling []袁良吴，汤炜.新型开口方环SS圆极化器的研究 与设计几.科技视界2017(5)108-109 图3曲折线形率选择表 [7]HAJJ M,RODES E,and MONEDIERE T.Dual-Band FSS的另一个主要用途是制作平面高增益天线。 EBG Sectoral Antenna Using a Single-Layer FSS 一般来说，具有高增益的天线是透镜天线、反射面 天线、大型阵列天线等，但这几种天线存在结构笨 ennas and Wireless Propagation Letters.2009,Vol.8(4) 重、制作成木高等占 而文献通过将电磁带隙 161-164 (EBG)材料制作成FSS周期结构作为天线的衬底， [8袁子东，高军，曹祥玉等.基于双层FSS的X波段高 从而在牺性一定性能的条件下有效解决了天线带宽 增益微带天线.微波学报.2013,291)55-59 窄的问题，实现高增益的平面天线。再如，袁子东 9 等人基于双调峰原理。采用双层FSS结构设计了 Radome With Wideband Absorbing Properties[J]. 型微带天线，该天线是通过在微带 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 天线结构 上增加 2012.Vol.60(6:2740-2747 FSS结构作为覆层来实现高增益的效果。通过实验验 证书明与传统的微带天线相比.加入下SS覆层后的 作者简介 高增益新型微带天线在不影响原来带宽的基础上 1风(1989-) 硕士 助教，主要研究方 方向性得到了明显改善。 向：通信工程、电磁场与微波技术 此外 ,频率选择表面也可以用作电磁兼容吸 Te1:15807674853 体仰。通过下SS的使用，使所需频率的电磁波顺利通 E-mail:953459319@qq.com 过FSS结构，同时被FSS下面的感光介质材料充分吸 收：同时将不需要的电磁被反射做。从而起到有效 的电磁滤波效果。 3结论 本文主要介绍了频率洗择表面相关的基本理论 并通过对传统的贴片型频率选择表面建立等效电路 29 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
25 电子技术研发 Electronics R & D ≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈ 一种有效的等效电路模型，对曲折线形FSS转变电磁 波极方式的原理作了详细分析。具体来说，曲折线形 FSS对于一束垂直极化的E场而言，可以看作等效传 输线的一个分流电感，而对于水平极化的入射波， 则可以采用分流电容来等效。当入射波为45°的线极 化波时，可分解为垂直和水平两个方向的分量，且 垂直分量相位延迟，水平分量的相位提前。如此一 来，当这束线极化波通过曲折线形FSS极化器后，两 分量间的相位差变为90°，从而形成了圆极化波。由 此可见，曲折线形FSS可以作为极化器将一束线极化 波转换为圆极化波，即实现对电磁波化方式的转变。 此外，文献[6]还提出了一种基于双层FSS设计的极化 器，该极化器的周期单元采用开口方环形结构，同样 可实现将线极化波转换为圆极化波的极化方式转变。 图3 曲折线形频率选择表面 FSS的另一个主要用途是制作平面高增益天线。 一般来说，具有高增益的天线是透镜天线、反射面 天线、大型阵列天线等，但这几种天线存在结构笨 重、制作成本高等缺点。而文献[7]通过将电磁带隙 (EBG)材料制作成FSS周期结构作为天线的衬底， 从而在牺牲一定性能的条件下有效解决了天线带宽 窄的问题，实现高增益的平面天线。再如，袁子东 等人基于双调谐峰原理，采用双层FSS结构设计了一 款适用于X波段、具有良好频率选择特性的高增益新 型微带天线，该天线是通过在微带天线结构上增加 FSS结构作为覆层来实现高增益的效果。通过实验验 证表明，与传统的微带天线相比，加入FSS覆层后的 高增益新型微带天线在不影响原来带宽的基础上， 方向性得到了明显改善[8]。 此外，频率选择表面也可以用作电磁兼容吸收 体[9]。通过 FSS的使用，使所需频率的电磁波顺利通 过FSS结构，同时被FSS下面的感光介质材料充分吸 收；同时将不需要的电磁波反射掉，从而起到有效 的电磁滤波效果。 3 结论 本文主要介绍了频率选择表面相关的基本理论， 并通过对传统的贴片型频率选择表面建立等效电路 模型，详细分析了频率选择表面的滤波机理。最后， 基于以上分析，简要总结了近年来国内外有关频率 选择表面的主要研究成果及其应用现状。 参考文献 [1] MUNK B A, 侯新宇(译). 频率选择表面理论与设 计[M]. 北京: 科学出版社, 2009 [2] GUSTAFSSON M. RCS reduction of integrated antenna arrays and radomes with resistive sheets[J]. IEEE Antennas and Propagation Society, 2006, Vol.20(1): 3479-3482 [3] 冯林. 低RCS雷达天线技术的研究和应用[J]. 电子学报, 1995, 23(10): 164-167 [4] 阮颖铮. 飞行器雷达天线系统隐身技术隐身技术[J], 1992, 6(1): 8-14 [5] RONALD A M. Accurate and Efficient Modeling of Meander-line polarizer[J]. Microwave Journal, 1998, Vol.41(11): 22-30 [6] 袁良昊,汤炜. 新型开口方环FSS圆极化器的研究 与设计[J]. 科技视界, 2017(5): 108-109 [7] HAJJ M, RODES E, and MONEDIERE T. Dual-Band EBG Sectoral Antenna Using a Single-Layer FSS for UMTS Application[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2009, Vol.8(4): 161-164 [8] 袁子东,高军,曹祥玉等. 基于双层FSS的X波段高 增益微带天线[J]. 微波学报, 2013, 29(1): 55-59 [9] COSTA F, MONORCHIO A. A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties[J], IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2012, Vol.60(6): 2740-2747 作者简介： 覃凤（1989-），女，硕士，助教，主要研究方 向:通信工程、电磁场与微波技术。 Tel：15807674853 E-mail:953459319@qq.com