[原创]频率选择表面的滤波机理与应用

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一路平安

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0楼发表于: 2010-01-24 17:53:06

频率选择表面就其本质而言是一个空间滤波器。和一般意义说的通过电容、电感组成的滤波器在目的上是一致。而滤波机理和有很大的区别。

最大的区别是，一般的滤波器作用的对象是电路中的电流，而且一般滤波器我们主要关系统带的波形是不是有畸变，而对于阻带就就不必关心了。而频率选择表面是对于场的滤波器，不论是透射波还是反射波都是十分重要，不仅仅要关注其幅度、相位的变化，还要关心交叉极化和热损耗等等。

1频率选择表面的滤波机理
频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型和开槽类型也叫波导类型。
贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。

滤波机理：
假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。
再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。
一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。
等效电路：LC串联

开槽类型：在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。

滤波机理：
当低频电磁波照射开槽型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。
从频率特性相应上看，开槽型频率选择表面是带通型频率选择表面。
等效电路：LC并联

贴片类型和开槽类型频率选择表面的关系：
在不考虑介质的情况下，他们是互补的，可以看出开槽类型的频率选择表面与贴片型频率选择表面相比，开槽型频率选择表面具有相反的频率响应特性。在低于谐振频率时，开槽类型的呈现感性电路特性；在高于谐振频率是呈现容性电路特性。从等效电路方法的角度来看，开槽型频率选择表面可以表述为电容电感并联的等效电路。在入射电磁波频率为谐振频率时，开槽型频率选择表面对谐振频率的电磁波是“透明”的。而贴片类型的频率选择表面恰恰相反。&nb ..

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