新型宽带和多频带三维频率选择表面研究

发布时间：2020-07-29 12:55

【摘要】：频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)作为空间滤波器,对具有不同工作频率、极化状态及入射角度的电磁波具有频率选择的特性,因而广泛应用于现代天线与微波通信系统中。传统二维FSS可在介质基片上印刷一层金属贴片或在金属板上蚀刻孔径缝隙结构来实现,其工作模式单一,难以实现高质量的滤波性能,如高选择性滤波性能、频率选择吸波性能以及多频带特性等。新型三维FSS是由三维立体单元结构在周期面内排列而成,由于其独特的腔体构造,能够激励出多种谐振模式或构造出多个谐振器,使其更加容易产生多个传输极点或零点,从而实现高质量的滤波性能。鉴于此,本文采用层叠槽线单元、矩形波导加载槽线单元等,分别实现了宽阻带带通FSS、透射(反射)-吸波式FSS以及多频带FSS,具体研究内容如下:(1)本文首先介绍了FSS的研究背景及基本概念。其次,从结构的构成方式和工作机理两个角度对传统二维FSS和新型三维FSS进行了对比。最后,分别介绍了FSS的常用分析方法,并以金属条带结构和层叠微带结构为例,着重介绍了等效电路方法在FSS设计中的应用。(2)在高选择性滤波性能方面,本文基于层叠槽线单元实现了一个具有宽阻带的带通FSS。首先,介绍了均匀层叠槽线结构的工作机理,并建立相应的等效电路模型。其次,根据等效电路模型,阐述宽阻带带通FSS的设计过程,并加工和测试设计的最终结构,测试结果与仿真结果吻合良好。(3)在频率选择吸波性能方面,利用层叠槽线结构设计了透射-吸波式FSS,深入分析了其工作机理,并加工得到了双极化透射-吸波式FSS结构,测试结果与仿真结果吻合良好。其次,基于传输线电路模型设计实现了反射-吸波式FSS结构,并通过层叠槽线结构实现该结构,全波仿真结果与等效电路结果吻合良好。(4)在多频带研究方面,本文提出三频带带通FSS。首先,在矩形波导中间位置纵向加载阶跃槽线结构A实现一个具有宽阻带的带通FSS。其次,在实现的宽阻带带通FSS基础上,继续加载槽线结构B实现一个双频带通FSS。然后,在实现的双频带通FSS基础上,继续加载槽线结构C,实现一个三频带通FSS结构。最后,加工并测试了上述三种FSS,然而由于矩形波导框架加工方式存在问题,导致其测试结果存在较大的损耗,需要进一步改进。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713
【图文】：

等效电路图,吸波,透射型,反射型

图 1.3 透射型（反射型）和透射（反射）-吸波式 FSS 理想频率响应（a）结构示意图（b）广义等效电路图 1.4 传统二维透射-吸波式 FSS早期研究的透射-吸波式 FSS 结构仅能够在通带外的一侧提供吸收带[20-27]，为了在通都能实现吸波，文献[28]中基于方环和交叉偶极子结构提出一种比较复杂的结构，然带内会有电流通过损耗层，这将会导致带内的插入损耗比较高。因此，为了减小带

等效电路图,吸波,二维

5（a）结构示意图（b）广义等效电路图 1.4 传统二维透射-吸波式 FSS早期研究的透射-吸波式 FSS 结构仅能够在通带外的一侧提供吸收带[20-27]，为了在通都能实现吸波，文献[28]中基于方环和交叉偶极子结构提出一种比较复杂的结构，然带内会有电流通过损耗层，这将会导致带内的插入损耗比较高。因此，为了减小带耗，通常有两种方法，第一种方法是使吸收带远离通带，但是这种方法在实际应用取[20-27]；另外一种方法则是在损耗结构中引入额外的 LC 谐振电路。然而，以上所提于传统二维 FSS 所设计的透射-吸波式 FSS 结构都有着尺寸较大的问题存在，这也大的入射角度情况下，其频率响应稳定性不是很好。另外，由于二维 FSS 单一的谐

频率响应曲线,吸波

6（c）频率响应曲线图 1.5 透射-吸波式 FSS 结构SS 最早在文献[29]中提出，但是该结构的插入损[30]对该结构做出改进，即在没有引入额外的 L低了通带内的插入损耗。进一步地，在文献[31获得更宽的高频吸收带，但是该结构太过复杂SS 虽然在单元尺寸和角度稳定性方面有所提高结构难以实现的原因。因此，本章节将基于单

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