可重构及小型化频率选择表面研究

发布时间：2020-03-28 09:41

【摘要】：频率选择表面(Frequency Selective Surfaces简称FSS)是由位于介质基底上相同的金属贴片单元,或金属屏上的开孔单元构成的一种二维周期阵列结构。在电磁波照射下,频率选择表面表现出带通或带阻的滤波特性,因此被用作空间滤波器。频率选择表面具有广泛的应用,例如带通型频率选择表面可用来设计天线罩,带阻型频率选择表面可以作为反射面天线的副反射器。本文从频率选择表面的应用背景出发,在研究了该结构的滤波机理和分析方法后,以传统的频率选择表面功能单一、单元尺寸大为突破口,引出可重构技术和小型化技术这一研究热点,并针对可重构及小型化频率选择表面进行了深入的研究。本文的主要研究内容如下:1.研究了频率选择表面的基本理论,分析了影响其性能的重要技术参数,并结合频率选择表面的分析方法,对两种典型频率选择表面单元的滤波特性进行了研究,为可重构频率选择表面和小型化频率选择表面的设计奠定了基础。2.为解决传统频率选择表面功能单一的问题,本文基于二极管的加载技术,设计了两款具有可重构特性的频率选择表面单元。首先对经典十字型单元结构进行改进,将其与变容二极管进行一体化设计,获得了具有频率可调特性的频率选择表面单元。然后,将变容二极管替换为PIN二极管,获得了具有单双频可切换特性的频率选择表面单元。3.为解决传统频率选择表面角度稳定性差的问题,本文基于2.5D封闭环结构,设计了一款具有高角度稳定特性的频率选择表面单元。首先调研了小型化频率选择表面的方法,并研究了金属化通孔实现单元尺寸小型化的原理,然后设计出一种高角度稳定的2.5D封闭环单元,仿真结果表明该单元对于0°~80°入射的电磁波具有良好的稳定性。在此基础上,通过加载具有缝隙的金属贴片,使其谐振频率下降,获得了一种兼具高角度稳定特性和小型化特点的频率选择表面单元。最后,对该频率选择表面进行了加工和测试,测试结果与仿真结果基本吻合,验证了上述设计方法的有效性。4.为解决传统频率选择表面的单元尺寸大的问题,本文基于2.5D封闭环结构,通过对单元内部的金属化通孔进行研究,设计了一款具有小型化特点的频率选择表面单元。本文以传统的2.5D封闭环单元为研究对象,将单元内部的金属化通孔进行分段处理,引入不同的中间层结构,并对比不同的中间层对小型化单元尺寸的影响程度,最终设计了中间层为“U”字形的2.5D封闭环结构,其单元尺寸达到0.033λ。此外,通过对比研究发现,随着引入中间层数量的增加,单元尺寸的小型化程度也愈加明显。最后,对该频率选择表面进行了加工和测试,测试结果与仿真结果基本吻合,证明了本文提出的方法对小型化2.5D频率选择表面单元尺寸具有可行性。
【图文】：

战斗机,频率选择表面

西安电子科技大学硕士学位论文2图1.1 战斗机 F22不仅带通型的频率选择表面可以用于隐身，带阻型的频率选择表面在雷达隐身技术中也有重要应用，例如带阻型频率选择表面可以用作天线的反射面，在己方雷达天线工作频段范围内，频率选择表面呈现为全反射特性，确保己方雷达能够正常工作；对于己方雷达天线工作频段范围之外的电磁波，频率选择表面表现为全透射特性，对敌方的探测雷达波不再产生强烈的反射，实现了己方雷达天线设备的隐身。除此之外，对于入射的敌方电磁波，如果能够在频率选择表面的后面加载吸波材料，就可以将其吸收掉，实现的隐身效果会更好。频率选择表面在隐身技术中的重要价值和作用，使得它一直是学者们近年来研究的热点。频率选择表面除了应用在隐身技术中

结构示意图,频率选择表面

再后来，有限元方法和时域有限差分法与计算机技术的结合，进一步简化了频率选择表面的分析和设计。图1.2 基于 SIW 技术的 FSS 结构示意图[27]因为在军事方面具有重要的应用价值，欧美国家从发展初期就一直致力于对频率选择表面的研究，但是在其他国家和地区，频率选择表面并未得到推广和应用。直到20 世纪 90 年代，由于空间科学领域的迫切需求以及频率选择表面作为天线罩这一隐身技术在军事领域中的应用，国内众多高校和科研单位开始极大地重视对频率选择表面的实际应用研究，，并在研究过程中取得了一系列的科研成果。例如章文勋教授课题组利用谱域法准确而高效地求解无衬底的频率选择表面结构、洪伟教授利用直线法有效地分析周期结构的散射特性、冯林等利用等效电路法获得具有良好稳定性和频率可调性的频率选择表面以及侯新宇教授采用模式匹配法研究频率选择表面等，这都极大地推动了频率选择表面在国内的发展。随着频率选择表面的广泛应用，传统的频率选择表面由于功能单一、单元尺寸大等缺点
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441;TN713

【相似文献】