1 概述

       频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种周期表面，由完全相同的单元沿一维或二维方向周期排列而成无限大阵列，如图1所示。FSS作为一种空间滤波器，其研究早在20世纪60年代中期就已开始，其有广泛运用，如应用于实现混合隐身雷达罩、电磁吸波材料、电磁兼容、卡塞洛伦系统副反射面、极化器等[1]。

       根据Munk分类，FSS单元类型可以划分为4组：1.中心连接型；2.环形单元；3.实心单元或各种形状的板式单元；4.组合单元[2]。常规的FSS发展多年，存在一旦加工制作出来则性能固定无法改变的限制，因此有源频率选择表面（Active Frequency Selective Surface，AFSS）近年来得到了很大发展。AFSS通过加载PIN管、变容二极管等有源器件实现对电磁波主动可调的特性，在制造智能隐身雷达罩、新型可重构天线等方面具有潜在运用。

       本文基于Altair FEKO14.0平台，对加载AFSS的微带天线进行设计、仿真和分析。通过微带天线和AFSS的单独仿真以及联合仿真分析，可以获得一款方向图可重构的微带天线设计，根据AFSS上的两层PIN管状态，微带天线的方向图具有不同特性。本文提供的想法可以为可重构天线设计提供新思路。

2 微带天线和AFSS仿真

       2.1 微带天线仿真

       FEKO提供对微带天线的快速建模与仿真方法，基于合理的网格剖分技术和默认的矩量法（MoM）能够求解精确的天线性能指标。图2为微波天线模型，采用矩形金属贴片作为辐射源，并采取背面馈电方式。通过图3结果可以看出，该天线具有良好的辐射性能，在3GHz最大增益达到8.16dBi。

       2.2 AFSS仿真

       使用FEKO仿真FSS这类周期性结构问题，只需对其中一个结构进行建模，加上合适的周期边界条件即可。FEKO仿真AFSS主要步骤如下：首先对单元进行建模，这里对双层矩形曲折线单元进行建模和仿真，并分别在上层和下层加载集总电阻元件用来模拟实际的PIN管；其次，加入周期性边界条件，这个在FEKO主菜单栏中可以找到；然后定义激励源，这里选择平面波入射；最后设置求解，即S参数求解。图4为在FEKO中建立的AFSS单元模型，图5给出其四种传输特性，分别为：①对于TE和TM波带通；②对于TE波带通，对于TM波屏蔽；③对于TE波屏蔽，对于TM波带通；④对于TE和TM波屏蔽。

图5 AFSS的四种传输特性。(a)上层和下层PIN管关闭；(b)上层PIN关闭，下层PIN管打开；(c)上层PIN管打开，下层PIN管关闭；(d)上层和下层PIN管打开

3 方向图可重构的微带天线设计

       图6是方向图可重构的微带天线设计模型，该模型基于微带天线结构，在距离天线贴片上面30mm处加载有限大的7×7的AFSS结构。当AFSS的两层PIN管都关闭时，AFSS在3GHz附近对于TE极化和TM极化都表现为带通性能，因此微带天线可以正常辐射电磁波，AFSS相当于一层“透明”的结构。当AFSS的上层PIN管关闭，下层PIN管打开时，AFSS在3GHz附近对于TE极化是透明而对于TM极化是屏蔽，因此微带天线的线性化辐射波被反射回去，AFSS相当于一层“金属屏蔽”的结构。同理，当AFSS的上层PIN管打开，下层PIN管关闭，微带天线可以辐射，而当AFSS的上层和下层PIN管都打开时，微带天线不能辐射。

图6 AFSS加载于微带天线上层，通过控制PIN管工作状态，实现天线方向图可重构

 

图7 可重构微带天线的方向图。(a)对应上下层PIN管都关闭；(b)对应上层PIN管关闭，下层PIN管打开；(c)对应上层PIN管打开，下层PIN管关闭；(d)对应上下层PIN管都打开；(e)极坐标下的方向图

4 总结

       本文基于FEKO软件平台，分别仿真设计了矩阵微带天线和有源频率选择表面，将AFSS可重构的功能引入到微带天线中，通过在天线上层加载AFSS并控制PIN管的工作状态实现微带天线方向图的可重构。本文为设计可重构天线提供新思路，同时也显示出FEKO软件在仿真天线、周期单元以及网格数较多的有限大FSS方面具备的优势。