頻率選擇

頻率選擇是指在一個周期內的重複次數，或每秒的周波數。計量單位為Hz（Hertz），HZ的由來是人們為了紀念德國物理學家赫茲的貢獻，把頻率的單位命名為赫茲，簡稱“赫”。

基本介紹

• 中文名：頻率選擇
• 外文名：Frequency selection
• 描述：一個周期內的重複次數
• 套用：電磁學和無線電技術
• 學科：物理

概念

頻率選擇是指在一個周期內的重複次數，或每秒的周波數。計量單位為Hz（Hertz），如頻率為1000Hz（1kHz）的音頻信號每秒便有1000個正弦波的周波。單位時間內完成振動的次數，是描述振動物體往復運動頻繁程度的量，常用符號f或v表示，單位為秒-1。為了紀念德國物理學家赫茲的貢獻，人們把頻率的單位命名為赫茲，簡稱“赫”。每個物體都有由它本身性質決定的與振幅無關的頻率，叫做固有頻率。頻率概念不僅在力學、聲學中套用，在電磁學和無線電技術中也常用。交變電流在單位時間內完成周期性變化的次數，叫做電流的頻率。

頻率選擇

頻率選擇測試要求

從根本上說，DFS是一種信道分配方案，設備通過DFS功能動態地選擇或改變工作頻率，以避免其對其他系統，尤其是雷達系統的干擾或避免其他系統對自身的干擾。FCCPart15SubpartE規定，工作在5.25～5.35GHz和5.47～5.725GHz的U-NII（UnlicensedNationalInformationInfrastructure）設備，應當具備DFS雷達檢測機制。ETSIEN301893標準也對工作在此頻段的設備做出了相同的要求。另外，加拿大、澳大利亞和亞洲的日本、韓國也都對DFS制定了相應的標準和規範。由於工作在5GHz頻段的無線通信設備類型較少，DFS測試的對象主要是802.11a、802.11n等工作在5GHz頻段的Wi-Fi設備。應Wi-Fi聯盟的要求，FCC還專門發布了備忘錄FCC06-96，對DFS的測試進行了詳細規範。

頻率選擇方法

縮短頻帶搜尋處理的時間，從而縮短從電源接入到等待接受結束所需要的時間，抑制服務區之外區域中的耗電。將預定頻帶中按高低順序鄰接的頻率劃分成組。各組中包含的頻率的個數比構成預定頻帶的頻率個數少。將不比構成各組的頻率個數少一個以上的個數例如一個頻率設定成代表頻率。對代表頻率，以接收信號強度為基準判斷是否滿足第1條件（S11）。然後從滿足第1條件的代表頻率所屬的組包含的全部頻率中以接收信號強度為基準選擇滿足第2條件的頻率（S14）。

一種性能穩定的新單元頻率選擇表面

由於周期結構可以控制電磁波的傳輸，周期結構的物理性質和套用得到了人們的極大關注，比如頻率選擇表面(FSS)和光子帶隙材料(PBG)。FSS對不同頻段的入射電磁波具有選擇性的反射或者透射，被廣泛套用於衛星、雷達以及現代通訊系統中。

圖1 不同入射角度結構1的頻率回響特性

金屬屏上周期性的開孔單元構成的二維周期陣列結構，因其能夠實現對諧振頻率電磁波的完全透射，其他頻段電磁波的完全反射，通常稱為帶通FSS。帶通FSS的一個重要套用是在微波波段設計隱身雷達罩，世界各國均十分重視對此的開發與套用。考慮到雷達罩的表面形狀以及入射到罩壁上的電磁波的極化方式，FSS的設計必須滿足對電磁波不同的入射角度和不同的極化方式均有穩定的頻率回響特性，即FSS的角度穩定性和極化穩定性。

FSS的角度穩定性和極化穩定性的問題引起了人們的關註：研究表明，載入電介質的方式可以改善大角度入射時FSS的傳輸特性；交叉排布的直縫單元FSS可以給出電磁波正入射時的極化穩定性。但上述方法都存在一定的缺陷：載入電介質又往往會增加傳輸損耗；工程套用中往往涉及到大的入射角度，直縫交叉排布結構在這種情況下不能實現極化穩定性。

圖2 不同入射角度結構2的頻率回響特性

研究給出新單元的兩種FSS結構具有角度穩定性，同時兼具大角度極化穩定性。而拆分單元FSS結構，能夠得到更寬的通帶頻寬，是一種新的展寬通帶頻寬的設計方法。

FSS結構的角度穩定性

多數的實際套用中入射角度範圍大，因此有必要研究大角度入射時FSS結構的頻率回響特性。這裡我們選取正入射0°和45°兩個入射角度進行研究。圖1和圖2分別為結構1和結構2在TE波0°和45°入射時的頻率回響特性曲線。

表1 不同入射角不同極化方式下兩種FSS結構的頻率回響特性

由圖1、圖2和表1可以明顯地看出，對於電磁波不同的入射角度，結構1的中心頻率都穩定在10.6 GHz，中心頻率具有很好的角度穩定性、結構2在0°入射情況下，中心頻率為10.8 GHz，45°入射時中心頻率為10.6 GHz，與結構1的中心頻率保持一致，與正入射時中心頻率相比漂移量很小，僅為0.2GHz。因此結構2也具有很好的角度穩定性。對於TE極化的入射電磁波，入射角度越大FSS結構的頻寬越窄，結構1，0°和45°入射情況下-3 dB頻寬由1.6 GHz變窄為0.9 GHz；結構2的-3 dB頻寬由3.2 GHz變窄為1. 8 GHz。

FSS結構的極化穩定性

在FSS的實際工程套用中，很多情況下入射波源的極化方式是未知的，因此有必要對兩種FSS結構的極化穩定性進行研究。當圖形單元為90°旋轉對稱單元時，電磁波正入射的情況下，對TE與TM波的頻率回響特性是相同的。兩種結構中的單元均為90°旋轉對稱單元，因此，正入射情況下兩種結構均具有極化穩定特性。FSS的套用往往涉及曲面，比如隱身雷達罩的設計，此時的入射角度範圍很大，在這種情況下我們必須考慮大角度入射情況下結構的極化穩定性。

圖2 45°入射結構1對不同極化方式的頻率回響特性

圖3和圖4分別為兩個結構在45°入射時，不同極化方式下的頻率回響特性。由兩圖和表1中的數據，我們可以看出，結構1在45°入射時對於TE和TM兩種不同的極化方式，中心頻率分別為10.6 GHz和10.4 GHz，中心頻率的漂移量僅為0.2 GHz，大角度入射情況下結構1具有很好的極化穩定性能。結構2在45°入射時對於TE和TM兩種不同的極化方式，中心頻率分別為10.6 GHz和10.8 GHz，中心頻率的漂移量僅為0.2 GHz，大角度入射情況下結構2同樣具有很好的極化穩定性能。

圖4 45°入射結構2對不同極化方式的頻率回響特性

對於相同的入射角度，TM比TE極化能夠給出更寬的頻寬，45°入射時，結構1在-3 dB透過率處的頻寬，由TE極化的0.9 GHz變寬為TM極化方式下的1.8 GHz；結構2在-3 dB透過率處的頻寬，由TE極化的1.8 GHz變寬為TM極化方式下的4 GHz。

兩種結構的對比分析

新單元的兩種FSS結構同時具有很好的角度和極化穩定性能，同時，通過對比分析可以發現兩者具有不同的通帶頻寬。由表1可以看出，與結構1相比較-3 dB的頻寬在TE波正入射情況下由原來的1.6 GHz增大為3.2 GHz，TE波45°入射時由原來的0.9 GHz增大為1.8 GHz，TM波45°入射時由原來的1.8 GHz增大為4 GHz。結構2表現出更寬的通帶特性。新單元的拆分幾乎沒有引起中心頻率的變化，只是結構2與結構1相比，具有更寬的通帶頻寬。因此，在工程套用中可以根據實際需求選擇不同的設計結構。