基于方同轴的三维频率选择结构研究

发布时间：2020-10-09 07:13

　　频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由周期阵列结构排列而成的无限大平面结构,它可以根据需要对入射电磁波实现选择性传播。该结构在电磁波技术的诸多方面得到广泛应用,常见的有电磁兼容、微波通信、军事隐身、电子对抗等,具有很大的研究开发前景。近年来,相较于传统的二维频率选择表面(2D-FSS),新型的三维频率选择结构(3-DFSS)因其多了一个维度可以用于设计更加复杂的滤波器而得到了长足的发展。本文首先研究方形同轴线的基本特性,利用合成渐近的方法推导其特性阻抗和端口电容的闭合公式,然后对以方形同轴线作为周期单元的3-D FSS进行优化设计,并在此基础上提出、设计并实现了同轴嵌套型3-D FSS。论文的主要内容和贡献包括:(1)利用合成渐近方法推导出方形同轴线的特性阻抗和端口电容的闭合公式。对于特性阻抗,通过分析方形同轴线的两个极限情况来获得远渐近式和近渐近式,进而得到该参数的合成渐近式:对于开路端电容,通过对开路端端口的准静态场分布进行分析,利用格林函数和已有的合成渐近式,推导出相应的闭合公式。(2)对原始的方形同轴线型3-D FSS进行优化,通过挖空中心导体和降低金属层厚度,有效地减少整体结构的重量,并提升结构的性能。在此基础上,通过额外嵌套一个金属筒来增加的一条传输路径,从而引入更多的传输零极点。经过合理的设计,本文提出了具有双极化、三次带通以及高带外抑制性等特点的同轴嵌套型3-D FSS。此外,通过对所提出的同轴嵌套型3-D FSS进行传输零极点分析,本文建立了有效的等效电路模型并通过参数扫描对结构设计与优化给出指导性意见。最后,论文还对该同轴嵌套型3-D FSS进行了实物加工验证,测试结果与仿真结果吻合的很好,表明该结构的可行性。综上所述,本文所推导的方形同轴线两个参数的闭合公式将在参数求解时避免复杂的数值计算,极大的方便结构的设计以及原理的分析。此外,本文所提出新颖的同轴嵌套型3-D FSS因其优越的性能为FSS的设计发展做出了一定的贡献。最后,对该3-D FSS的理论分析和等效电路建模为后续的一系列3-D FSS设计和分析提供了坚实的理论基础。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN03
【部分图文】：

贴片,缝隙

其单元可以分为两种类型—种是金属贴片型，即在介质表面贴上周逡逑期性金属贴片单元，另一种是缝隙型，即在金属板蚀刻出周期性的缝隙，其示意逡逑图如图１．１所示。当ＦＳＳ的谐振单元处于谐振状态时，处于谐振频率的入射电磁逡逑波被全反射（贴片型ＦＳＳ）或者全透射（缝隙型ＦＳＳ）。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．１传统ＦＳＳ的两种类型：（ａ）贴片型ＦＳＳ，邋（ｂ）缝隙型ＦＳＳ逡逑缝隙型ＦＳＳ可以看作是贴片型ＦＳＳ的互补结构阵列，二者的基本单元类型逡逑相同，常见的大致分为三类：第一类是如图１．２（ａ）所示的中心连接型，包含偶极逡逑子型、三极子型、耶路撒冷型等；第二类是如图１．２（ｂ）所示的环型，包含十字型逡逑环，方环、圆环等；第三类是如图１．２（ｃ）所示的混合型，由多种图案混合形成。逡逑２逡逑

圆形波导

逦第１章绪论逦逡逑带的上下边沿引入２个传输零点，实现基于ＳＩＷ的３－Ｄ邋ＦＳＳ双边陡峭的椭圆函逡逑数频率响应。国内国防科技大学的刘培国教授提出了一种结构形状复杂的多模谐逡逑振腔３－Ｄ邋ＦＳＳ［２２］，但是该文献没有给出实验结果。澳大利亚墨尔本皇家理工大学逡逑的Ｓ．邋Ｎ．邋Ａｚｅｍ〗等人将二维环形结构进行三维拉伸做成周期圆筒形的ＦＳＳｔ２３ｌ，如逡逑图１．３所示，利用圆筒形成的圆形波导结构使得该结构随着拉伸高度的增加，其逡逑频率选择性能会在通带和阻带之间进行切换；除此以外，他们还提出了基于弹簧逡逑状螺旋谐振器的可重构３－Ｄ邋ＦＳＳ［２４］，不需要借助复杂的偏置电路而是通过调节谐逡逑振器的高度就可以移动ＦＳＳ的工作频带。英国肯特大学的Ｂ．Ｓａｎｚ－Ｉｚｑｕｉｅｒｄｏ和逡逑Ｅ．Ａ．邋Ｐａｒｋｅｒ等人借助三维打印技术设计了简单的三维十字形、折叠偶极子、折逡逑叠三维环的３－Ｄ邋ＦＳＳ［２５Ｈ２６］，通过三维折叠减小单元的电尺寸，提高了角度稳定逡逑性。美国德州大学的Ｊ．邋Ｈ．邋Ｂａｒｔｏｎ等人借助三维打印技术设计的全介质３－Ｄ邋ＦＳＳ，逡逑如图１．４所示，在高功率微波应用方面显示出了突出的优势［２７］。逡逑

三维打印,全介质,南洋,理工大学

振腔３－Ｄ邋ＦＳＳ［２２］，但是该文献没有给出实验结果。澳大利亚墨尔本皇家理工大学逡逑的Ｓ．邋Ｎ．邋Ａｚｅｍ〗等人将二维环形结构进行三维拉伸做成周期圆筒形的ＦＳＳｔ２３ｌ，如逡逑图１．３所示，利用圆筒形成的圆形波导结构使得该结构随着拉伸高度的增加，其逡逑频率选择性能会在通带和阻带之间进行切换；除此以外，他们还提出了基于弹簧逡逑状螺旋谐振器的可重构３－Ｄ邋ＦＳＳ［２４］，不需要借助复杂的偏置电路而是通过调节谐逡逑振器的高度就可以移动ＦＳＳ的工作频带。英国肯特大学的Ｂ．Ｓａｎｚ－Ｉｚｑｕｉｅｒｄｏ和逡逑Ｅ．Ａ．邋Ｐａｒｋｅｒ等人借助三维打印技术设计了简单的三维十字形、折叠偶极子、折逡逑叠三维环的３－Ｄ邋ＦＳＳ［２５Ｈ２６］，通过三维折叠减小单元的电尺寸，提高了角度稳定逡逑性。美国德州大学的Ｊ．邋Ｈ．邋Ｂａｒｔｏｎ等人借助三维打印技术设计的全介质３－Ｄ邋ＦＳＳ，逡逑如图１．４所示，在高功率微波应用方面显示出了突出的优势［２７］。逡逑■邋ＷＭ逡逑＼逡逑图１．３基于圆形波导结构的３－Ｄ邋ＦＳＳ逡逑图１．４利用三维打印技术打印的全介质３－Ｄ邋ＦＳＳ逡逑近年来，新加坡南洋理工大学的沈忠祥教授等人通过周期垂直放置屏蔽微带逡逑线构成３－Ｄ邋ＦＳＳ［１８］（如图１．５所示），其中电壁和磁壁屏蔽的微带线结构分别具有逡逑４逡逑

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