基于分形频率选择表面的二向色镜

　　0 引 言

　　随着精确制导技术的飞速发展，红外/毫米波(IR/MMW) 复合制导技术以其光电复合的优点成为当前各国竞相研究的热点;另一方面，精确制导半实物仿真系统可以减少实弹射击次数, 提高武器试验鉴定的质量，同时减少研制与试验成本和周期，因此，研究红外/毫米波复合制导半实物仿真系统具有重要意义。

　　美国空军与导弹司令部(AMCOM)率先采用 HWIL 半实物仿真系统[1-3]对红外/毫米波复合制导进行了仿真测试 (原理图如图 1 所示)， 在该套系统中二向色镜(DBC) 是最为关键的器件 ，它的作用是实现红外与毫米波信号的合成，保证模拟真实环境的红外和毫米波复合信号同时进入导引头，从而真正实现复合信号的半实物仿真测试。

　　目前，在二向色镜的设计中主要有红外高反膜、衍射光学元件(DOE)和频率选择表面(FSS)3 种方案[4-6]，其中红外高反膜方案相对成熟而运用较多，DOE 方案尚处于研制初期， 但这两种方案都存在只能加工有限尺寸的样件的缺陷，这将产生严重的边缘效应，导致信号产生畸变， 不能很好地满足半实物仿真系统大尺寸二向色镜的实际需求， 而 FSS 方案则没有尺寸加工的限制，且具有设计灵活和易于工程实现的优点，而结合分形理论设计 FSS 的优点在于可以实现多频频率选择特性，从而拓展半实物仿真系统的复用性能，因此，研制适用于 IR/MMW 半实物仿真的分形 FSS 具有重要意义。

　　1 FSS 理论分析

　　1.1 理论分析方法

　　FSS 的分析方法主要有早期的变分法 、等效电路法等标量近似方法和矢量模式法、 谱域法等严格方法。前叙两种近似方法仅能分析特定情况下 FSS 的频响特性，并且仅能获得散射特性的幅度信息。 而后两种方法对于复杂结构 FSS 的分析不适用。由于 FSS 单元结构比较复杂，而频域有限差分(FDFD)方法具有能够很好地适应各种不规则模型的优点，因此，采用FDFD 方法对 FSS 进行分析 。

　　FDFD 方法直接从麦克斯韦方程组出发 ， 可以得到 6 个关于电场和磁场的方程：

　　1.2 Y 环分形 FSS 物理结构

　　FSS 的性能主要由其基础单元的结构及单元间距决定，为了实现多频频率选择特性，同时考虑 FSS的性能， 提出了一种结构紧凑的 Y 环分形结构 FSS基础单元，物理结构如图 2 所示，在金属表面上腐蚀出周期结构如图中黑色部分的 Y 环分形单元， 其余部分均为金属。 采用分形结构设计的优势在于可以实现多频选择性能，使得其对 8 mm 和 3 mm 毫米波/红外复合制导体制均适用。