《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種陡峭截止的曲面三階帶通頻率選擇表面天線罩設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
王義富，蔣坤，何林濤，陳玄，陳毅喬
中國(guó)西南電子技術(shù)研究所
摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)頻率選擇表面（ Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）天線罩存在結(jié)構(gòu)剖面高以及帶外截止性能不足等問題，提出了一種K波段具有帶外陡峭截止的低剖面帶通型FSS天線罩設(shè)計(jì)方法。該方法通過采用多層非諧振型FSS單元結(jié)構(gòu)及其電磁強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了K波段三階帶通頻率選擇濾波特性。該天線罩不僅具有極低的剖面，而且實(shí)現(xiàn)了通帶到阻帶的快速陡峭過渡。進(jìn)一步采用多層電路板壓合技術(shù)和天線罩敷制工藝加工了該K波段曲面FSS天線罩樣件，不僅保證了天線罩的圖案加工精度，同時(shí)也確保了復(fù)雜曲面成型精度。最后，進(jìn)行了天線罩傳輸特性及對(duì)天線方向圖影響的測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合較好，證明了設(shè)計(jì)方法的可行性。
中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245770
中文引用格式： 王義富，蔣坤，何林濤，等. 一種陡峭截止的曲面三階帶通頻率選擇表面天線罩設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(4)：79-83.
英文引用格式： Wang Yifu，Jiang Kun，He Lintao，et al. Design of a curved, band-pass frequency selective surface radome with steep cut-off performance[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：79-83.
Design of a curved， band-pass frequency selective surface radome with steep cut-off performance
Wang Yifu，Jiang Kun，He Lintao，Chen Xuan，Chen Yiqiao
Southwest China Institute of Electronic Technology
Abstract： The traditional frequency selective surface（FSS）radome has the problem such as high structural profile and insufficient out of band cut-off performance. A design method for low-profile and band-pass FSS radome with steep out of band cut-off in K-band is presented. By using multilayers non-resonant constituting elements and the electromagnetic strong coupling techniques, a third-order band-pass radome in K-band is realized. It is worth noting that it not only has an extremely low profile，but also achieves a rapid steep transition from pass to stop band. Further，the K-band curved FSS radome prototypes was fabricated by using multi-layer circuit board pressing technology and radome molding technology, and the fabricating accuracy of FSS pattern as well as the radome surface shape is effectively ensured. Finally，the transmission characteristics of the radome and its influence on the antenna pattern are tested and verified. The measurement results agree very well with the simulated results, and the feasibility of the design method is demonstrated.
Key words : frequency selective surface；steep cut-off；curved radome；K-band

引言

頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）是一種具有空間濾波特性的二維周期陣列結(jié)構(gòu)。因其具有頻率選擇濾波特性，被廣泛應(yīng)用于多頻副反射面天線、電磁屏蔽防護(hù)、電磁吸波器、波束掃描天線、隱身天線罩等多個(gè)領(lǐng)域[1-3]。特別是在隱身天線RCS縮減設(shè)計(jì)中，F(xiàn)SS已成為近些年國(guó)內(nèi)外持續(xù)的研究熱點(diǎn)。如在天線罩中采用FSS技術(shù)，可保證天線工作帶內(nèi)電磁波正常輻射，而帶外雷達(dá)波則類似金屬罩全反射，從而改善天線的隱身性能。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SS已引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注和重點(diǎn)研究。據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，小型化、低剖面、多頻/寬帶、吸/收一體和智能化等是FSS研究的重要方向[4]。特別是智能化FSS成為近些年的研究熱點(diǎn)。智能化FSS通過在金屬圖案上加入微波可調(diào)器件（如微波開關(guān)、變?nèi)荻O管、液晶材料等），可實(shí)現(xiàn)FSS電磁特性的實(shí)時(shí)可重構(gòu)。智能化FSS也稱為有源可調(diào)FSS，在天線主動(dòng)隱身、波束可掃描天線中具有重要應(yīng)用。

FSS頻率響應(yīng)特性是影響其實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。理想的FSS頻率響應(yīng)曲線應(yīng)具有工作帶內(nèi)高透波和帶外陡峭截止特性；此外，還需具有低剖面和曲面共形等結(jié)構(gòu)要求。因此，具有帶內(nèi)高透波、帶外陡峭截止的低剖面高性能FSS迅速成為研究熱點(diǎn)[5-6]。

為獲得帶內(nèi)平坦透波和帶外陡峭截止特性，傳統(tǒng)方法是將N個(gè)間隔λ0/4（λ0為中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)）的二維FSS進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)高階（N階）陡峭的頻率選擇特性[7]。但由于λ0/4間隔層的存在，導(dǎo)致其剖面高度及重量增加，給實(shí)際應(yīng)用帶來限制。近年來，通過三維FSS實(shí)現(xiàn)陡峭頻率選擇特性引起了廣泛關(guān)注[8-10]。其主要原理是通過在腔體中引入多重耦合諧振，從而在特定頻率產(chǎn)生多個(gè)傳輸零點(diǎn)來獲得陡峭的頻率響應(yīng)曲線。Mittra等人通過在波導(dǎo)中加入中心導(dǎo)電相連的兩交叉陣子型FSS，在相對(duì)帶寬達(dá)到73.4%基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了具有橢圓濾波響應(yīng)的陡峭帶通型頻率選擇特性[10]。Luo等人通過在多層級(jí)聯(lián)SIW腔體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)多層縫隙型FSS圖案，實(shí)現(xiàn)了X波段具有陡降特性的帶通型FSS[11]。然而，上述FSS均基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，存在結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜的問題。此外，三維FSS還存在因單元尺寸過大而出現(xiàn)散射柵瓣以及角度穩(wěn)定性等問題。2010年，Al-Joumayly和Behdad等人提出了一種基于非諧振單元的小型化和低剖面帶通型FSS結(jié)構(gòu)[12-14]。其研究結(jié)果表明：其FSS單元尺寸可減小至0.1λ0~0.15λ0，同時(shí)其剖面可降低至（Ν-1）λ0/30（N為濾波階數(shù)），相比傳統(tǒng)多層級(jí)聯(lián)FSS（（Ν-1）λ/4）得到了極大改善，為小型化、低剖面和陡峭截止特性的帶通型FSS提供了設(shè)計(jì)思路。

針對(duì)具有陡峭截止性能低剖面頻選天線罩應(yīng)用需求，本文采用非諧振型FSS單元設(shè)計(jì)了一種K波段三階帶通濾波的曲面多層FSS天線罩。本文從理論分析、電路原理圖設(shè)計(jì)和仿真分析等方面，給出了該FSS天線罩的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，開展了該K波段曲面FSS天線罩實(shí)物樣件加工和性能測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性，為具有陡峭截止的低剖面曲面FSS天線罩提供了技術(shù)途徑。


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作者信息：

王義富，蔣坤，何林濤，陳玄，陳毅喬

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）


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