A miniaturized dual-band frequency selective surface with low frequency ratio for electromagnetic shielding
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摘要: 为满足敏感电子设备对频段密集相邻干扰信号的屏蔽需求，提出了一种低频比双频段带阻频率选择表面（FSS）结构。该结构由介质层和印刷在其两侧并谐振在不同频率的金属导带层构成。通过对两侧金属导带的互补型设计，削弱了两个谐振点间的耦合影响，使该FSS结构具有两个可以独立调节且紧密相邻的阻带，呈现出低频比特点。仿真结果表明，此结构可以实现低至1.16的谐振频率比。基于弯折结构的小型化设计使该FSS的单元尺寸仅为0.071λ，确保所提结构在TE和TM两种极化电磁波照射下，电磁屏蔽效能大于24 dB的入射角度稳定性高达60°。制作了实物并进行测试，实测结果与仿真结果吻合良好，验证了FSS结构设计的可靠性。Abstract: A miniaturized dual-stopband frequency selective surface (FSS) is proposed in this paper to shield the sensitive electronic equipment from interference signals with closely spaced frequency bands. The proposed FSS composes of a dielectric layer and two metal strip layers printed on both sides of the dielectric substrate. Different from other dual-band FSSes, the coupling between the double metal strip layers of the proposed FSS is weakened intentionally by using the complementary design of the strip patterns. As a result, the proposed FSS has two independently tunable stopbands which are very closely spaced. The simulated results show that the operating bands of the proposed FSS structure can achieve a frequency ratio as low as 1.16. In addition, the miniaturized design by using the convoluted elements makes the dimension of the unit cell as small as 0.071λ, where λ is the wavelength of the lower resonant frequency in free space. This ensures that the proposed FSS has incident angular stability of up to 60° for both TE and TM polarizations, while keeping at least 24 dB shielding effectiveness at the same time. The prototypes of the proposed FSS are fabricated and tested. Good agreements are achieved between the measurement and simulation, which demonstrates the reliability of the simulation.
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现代战争中网电一体化的对抗方式，对武器装备的电磁防护设计带来了新挑战[1-2]。电磁屏蔽技术是一种常用的防护手段，通常是使用金属外壳对需要保护的设备进行全频段屏蔽。然而在部分应用场景中，这种屏蔽措施因为在抵挡电磁攻击的同时阻断了设备的信号收发而无法使用[3]，相比之下频率选择表面（FSS）作为一种空间滤波器，根据频率不同对空间电磁波具有选择透过性，因此不仅在天线罩[4-5]、天线反射面[6]、微波吸收体[7]等领域得到广泛应用，近年来也开始得到电磁屏蔽领域研究人员的关注[8-9]。随着多功能电子设备以及无线技术的不断发展，单一谐振频率的FSS结构已经无法满足实际需求，尤其是像卫星导航和基站这类系统的工作频带十分紧凑，这对FSS的设计提出了新要求，因此人们对频带紧密相邻（即低频比）的FSS结构进行了较深入的研究[10-17]。2008年，Xu Rongrong等人通过加载集总电容，实现了谐振在2.5 GHz和3.5 GHz的频率选择表面[10]；Sivasamy R[13]和Chen Sihong[15]带领团队，成功设计了频比低至1.39和1.15的双频带FSS结构。在实际应用中，无论是为了在有限的空间中容纳更多的FSS单元结构，还是为了抑制栅瓣提高角度稳定性，都要求FSS结构的小型化设计。Ghosh S[14]，Hong Tao [16]和Chen Tong[17]等团队通过设计弯折的多电流路径结构，获得了频带紧密且单元结构紧凑的双频带频率选择表面，且具有较好的角度稳定性。这些研究为低频比与小型化FSS结构设计提供了有益参考。然而，这些研究大多为单层结构，即通过一个导电层实现两个谐振频率，这一方面限制了结构的进一步小型化；另一方面，两个谐振点间耦合影响较大，难以实现独立调节。因此，研究频带紧凑且可以独立调节各阻带中心频率的多频段小型化频率选择表面，在民用和军事领域都具有重要意义。
本文提出了一种基于双面互补结构的双频段带阻FSS结构，这种互补型设计削弱了两个阻带谐振点间的耦合影响，使所设计FSS结构呈现出很好的频带隔离性。结果表明，所设计结构不仅具有两个可以独立调节且紧密相邻的阻带，而且具有小型化、极化独立和高达60°的入射角度稳定性等优点。
1. 仿真设计
频率选择表面（FSS）是一种由特定单元（导电贴片或缝隙）组成的无限大周期结构，对特定频段下的电磁波具有反射、透射或者吸收的功能[18]。在本文的仿真计算中，采用Floquet边界模拟FSS周期结构。
1.1 互补型FSS结构设计
本文提出的互补型FSS单元结构如图1所示，其单元尺寸为a，由介质层和印刷在介质基板两侧的金属导电层构成。介质层厚度为t，由相对介电常数为4.3、损耗角正切为0.025的FR4基板构成。该FSS的正面金属贴片如图1（a）所示，将普通十字单元演化为如图所示的弯折设计，使FSS结构在单元尺寸不变的情况下获得更长的感应电流路径，从而增大等效电感，降低谐振频率，实现小型化设计。正面金属条带的宽度为w1，最小条带间距为w2。图1（b）给出了该FSS单元的背面金属贴片，其金属条带宽度为w2，最小条带间距为w1。反面贴片是基于正面贴片的互补结构演化而来，它们重叠在一起形成如图1（c）所示的图案。为了更清晰地展示该双面互补的FSS单元结构，图2给出了单个单元和多个单元的透视图。该FSS的两层贴片均为关于单元中心的90°旋转对称结构，因此具有很好的极化独立性。
图1和图2中双面互补FSS的具体设计参数如表1所示。该FSS的两侧金属各提供了一个LC谐振回路，且双面互补的设计削弱了两个谐振点间的耦合影响，带来了良好的阻带设计独立性。图3给出了入射电磁波垂直照射情况下，单面FSS以及组合双面FSS的|S21|仿真结果对比图。从图中可以看出，正面贴片提供的谐振频率为3.13 GHz，反面为4.04 GHz，两者组成的双面FSS提供了3.08 GHz和4.01 GHz的双频谐振。与两个单面FSS相比，谐振频率的偏差仅为1.6%和1.0%。仿真结果表明，该互补组合的双面FSS可以保持良好的谐振独立性及频率隔离性，这对实际设计与应用至关重要。
表 1 双面互补FSS的具体设计参数Table 1. Parameter values of the proposed FSSa/mm w1/mm w2/mm t/mm 6.2 0.2 0.2 1.6 1.2 低频比的优化结构设计
上面提出的互补型FSS结构具有良好的谐振独立性，意味着可以通过调节两侧金属贴片来分别调节两个谐振频点，进而实现更低频比的双频谐振。以提高低谐振频率为例，由图3可知，低频谐振由正面金属贴片产生，因此可以通过缩短电流路径来提高谐振频率。最终优化单元结构如图4所示，由于反面金属贴片保持不变，且所给设计参数同表1，因此图4只给出了优化FSS单元结构的主视图和透视图。垂直入射情况下优化后单面FSS和双面FSS的散射参数|S21|值的比较见图5。可以看出该优化结构依然保持着良好的谐振独立性及频率隔离性。对比图3和图5可知，调节低阻带的谐振频率从3.08 GHz到3.45 GHz后并不会对高阻带的谐振频率4.01 GHz产生影响，实现了阻带独立调节且紧密相邻的双频段FSS结构。
图 5 优化后FSS结构在垂直入射下仿真的到的|S21|值Figure 5. Simulated |S21| of optimized FSS for normal incidence2. 结果分析
考虑到实际应用中干扰电磁波的极化方式和入射方向不确定，所设计的FSS结构应具有较好的极化和入射角度稳定性。这里分析计算了不同极化方式电磁波以不同角度入射到图1所示的原始互补型FSS结构以及图4所示的优化低频比FSS结构时的电磁屏蔽效能（SE），结果分别如图6和图7所示。
图 6 原始FSS结构在不同极化方式下入射角度对屏蔽效能的影响Figure 6. Effect of incident angle on Shielding Effectiveness (SE) for different polarizations of the original FSS structure
图 7 优化FSS结构在不同极化方式下入射角度对屏蔽效能的影响Figure 7. Effect of incident angle on SE for different polarizations of the optimized FSS structure电磁屏蔽效能SE定义[19]
(1) 式中：E0表示没有屏蔽时空间某个位置的合成电场值；Es则表示屏蔽存在时该位置的合成电场值。因此，FSS结构的电磁屏蔽效能为
(2) 从图6和图7可以看出，无论是TE极化还是TM极化电磁波，本文提出的FSS结构屏蔽效能均满足SE ≥ 24 dB，且都具有高达60°的入射角度稳定性。当入射角大于60°时，所提FSS的两个谐振频率仍保持稳定，无较大偏移。但是TM极化的SE降低到20 dB以下，屏蔽效能相对较差。
此外，从图7还可以得到，所提优化结构的谐振频率分别为3.45 GHz和4.01 GHz，频比仅为1.16。该优化FSS的各项参数同表1，其单元尺寸为6.2 mm，即0.071λ，其中λ为低谐振频率（3.45 GHz）在自由空间中对应的波长。表2列出了本文提出的FSS与文献中报道的低频比双频FSS结构的比较，表中以fL和fH分别表示低谐振频率和高谐振频率，λ为对应FSS的fL在自由空间中的波长。可以看出，尽管文献[15]中所提结构具有更低的频比，但单元尺寸较大；文献[14, 16-17]的FSS更加小型化，但频比较高。综上所述，本文所提FSS同时兼顾了低频比和小型化，且均达到了具有竞争力的指标。除此之外，本文所提FSS结构可以灵活地独立调节谐振频率，因此可以方便地扩展到更多应用中以满足不同电磁防护需求，具有良好的实用性。
表 2 与其他低频比双频FSS的比较Table 2. Comparison with the alternate dual-band FSSes with low frequency ratioreference fL/GHz fH/GHz fH/fL dimension/λ Ref.[10] 2.5 3.5 1.4 0.082 Ref.[11] 4.0 7.0 1.75 0.125 Ref.[12] 2.5 3.5 1.4 0.080 Ref.[13] 2.54 3.54 1.39 0.088 Ref.[14] 2.35 3.05 1.29 0.065 Ref.[15] 5.55 6.38 1.15 0.268 Ref.[16] 1.59 1.96 1.23 0.042 Ref.[17] 1.04 1.49 1.43 0.039 proposed FSS 3.45 4.01 1.16 0.071 3. 实验测试结果与分析
为了验证设计的可靠性，加工并测试了图1和图4所示的两种互补型FSS结构。两种FSS样品尺寸均为20 cm×20 cm，由30×30个单元组成。图8（a）给出了实验系统框图，其中发射天线和接收天线分别接在矢量网络分析仪的两个端口，被测FSS以及环绕FSS的吸波材料放置在两个天线中间。实际测试系统和加工实物的局部示意图见图8（b）和8（c）。由于加工的板子尺寸略小，同时环绕的吸波材料剖面较高，导致了当入射角度增大时，入射波会被吸波材料挡住而无法照射到FSS上。因此，图9中只展示了在入射角为0°和20°的两种极化波的照射下，两种FSS实测结果与仿真结果的对比。
图 8 实验测试系统以及加工实物的局部示意图Figure 8. Experimental system and part of the proposed FSS prototypes
图 9 两种FSS在不同入射角度TE和TM极化波照射下实测结果与仿真结果的对比Figure 9. Comparison of measured and simulated results of two fabricated FSSes for TE and TM polarizations under different incident angles从图9可以看出，无论是TE极化还是TM极化，实测结果均与仿真结果基本吻合。两种FSS样品的实测结果均存在一定的频偏，这一方面是因为加工的FSS结构和材料参数与仿真设计所用参数间存在微小差异引起的；另一方面是由实验中的人为因素造成的，包括收发天线中心没有完全对准、入射角度存在误差等。此外，实验中的电磁波并非均匀平面波，且实验中FSS结构及其周围吸波材料的绕射也会对实验结果带来影响，而实测结果中谐振点处的毛刺主要是由FSS结构及周边吸波材料的反射所致。
4. 结 论
本文提出了一种频带紧凑且可以各自独立调节的小型化双频段互补型频率选择表面结构，以满足复杂电磁环境下敏感电子设备的屏蔽需求。通过对两个谐振单元的互补型设计，削弱了谐振点间的耦合影响，提高FSS的频带隔离性，实现低至1.16的谐振频率比。基于弯折结构的小型化设计使该FSS单元尺寸仅为0.071λ，确保所提结构具有高达60°的角度稳定性。与文献中已有的低频比双频FSS结构相比，本文所提FSS结构除了兼顾低频比和小型化，还能够灵活地独立调节每个频段的谐振频率，具有良好的实用性。
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图 5 优化后FSS结构在垂直入射下仿真的到的|S21|值
Figure 5. Simulated |S21| of optimized FSS for normal incidence
图 6 原始FSS结构在不同极化方式下入射角度对屏蔽效能的影响
Figure 6. Effect of incident angle on Shielding Effectiveness (SE) for different polarizations of the original FSS structure
图 7 优化FSS结构在不同极化方式下入射角度对屏蔽效能的影响
Figure 7. Effect of incident angle on SE for different polarizations of the optimized FSS structure
图 8 实验测试系统以及加工实物的局部示意图
Figure 8. Experimental system and part of the proposed FSS prototypes
图 9 两种FSS在不同入射角度TE和TM极化波照射下实测结果与仿真结果的对比
Figure 9. Comparison of measured and simulated results of two fabricated FSSes for TE and TM polarizations under different incident angles
表 1 双面互补FSS的具体设计参数
Table 1. Parameter values of the proposed FSS
a/mm w1/mm w2/mm t/mm 6.2 0.2 0.2 1.6 
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表 2 与其他低频比双频FSS的比较
Table 2. Comparison with the alternate dual-band FSSes with low frequency ratio
reference fL/GHz fH/GHz fH/fL dimension/λ Ref.[10] 2.5 3.5 1.4 0.082 Ref.[11] 4.0 7.0 1.75 0.125 Ref.[12] 2.5 3.5 1.4 0.080 Ref.[13] 2.54 3.54 1.39 0.088 Ref.[14] 2.35 3.05 1.29 0.065 Ref.[15] 5.55 6.38 1.15 0.268 Ref.[16] 1.59 1.96 1.23 0.042 Ref.[17] 1.04 1.49 1.43 0.039 proposed FSS 3.45 4.01 1.16 0.071
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