电可调频率选择表面实现波束扫描技术研究

发布时间：2020-11-04 14:15

　　 频率选择表面(FSS,Frequency Selective Surface)通常是由一些按照一定方式排列的金属表面缝隙或者介质表面金属贴片组成的周期性结构。对于极化、频率或是入射角度不同的电磁波FSS可以选择性的进行反射或者透射,其作用效果在本质上相当于空间中的滤波器。加载PIN管或是变容管等有源电子元器件的频率选择表面称为有源FSS,其谐振特性可以通过调节所加载器件的偏置电压和电流来改变。频率选择表面目前已被广泛应用在空间滤波器、反射面、极化转换和雷达散射截面减缩等方面,同时也被越来越多的应用在其它各个领域中。由于其特定的性能,在可重构天线中也被使用。方向图可重构主要是通过改变天线表面电流分布来实现波束可调。方向图可重构天线具有可应用在复杂电磁环境中、能够机动防止电磁干扰、提高系统可靠性、节省输入能量等优点。本文首先简要介绍FSS的基础理论及其相关应用,设计了一款2.4GHz基于电可调频率选择表面的方向图可重构天线,同时设计了一款Ka波段基于频率选择表面的方向图可重构透射阵天线,并对其进行改良。本文的具体研究内容如下:1.首先,本文设计了一款2.4GHz基于FSS的方向图可重构天线。该天线由基于FSS单元的方向图可重构结构和一个微带贴片天线组成。微带贴片天线作为馈源,采用侧馈方式,最大增益为7.8dB,主波束方向为0°。基于频率选择表面的方向图可重构结构由一个4×4的FSS单元组成,利用频率选择表面在空间的滤波特性以及PIN二极管正向导通和反向截止的特性,实现天线方向图在上半空间内的波束扫描。具体表现为,当切换二极管的工作状态时,可以实现天线方向图在半空间内三种状态的改变,波束的偏转角度分别为0°、-35°和+35°,最大增益分别为8.9dB、8.4dB和8.3dB。为了验证天线性能,我们对其进行加工与测试,结果表明实测与仿真基本一致,满足设计要求。2.其次,本文设计了一款Ka波段基于FSS的方向图可重构微带透射阵天线。该天线单元结构由三层金属印刷在两个相同的电介质基板上构成。三层金属分别定义为接收层、接地层、发射层;两层介质板间使用其他介质进行粘合。接收层与发射层之间通过金属通孔连接。接收层结构是通过在金属圆片上蚀刻出一个字母“N”得到的,发射层结构与接收层结构相同。当接收层与发射层蚀刻的部分同向时,电磁波在频率30.2GHz-33.2GHz间表现出良好的透波特性;当接收层与发射层蚀刻部分反向时,电磁波在频率30GHz-34GHz之间表现出良好的透波特性,而且两种透射情况下相位之差接近180°。通过对单元结构的排列组合,分别设计了三种11×11=121的阵列。正文中详细介绍了阵列的结构组成以及阵列对于天线方向图的影响。馈源使用Ka波段标准喇叭,电磁波辐射方向为垂直入射。通过CST电磁仿真软件进行仿真,结果表明微带透射阵列能够实现天线方向图的可重构。3.最后,在微带透射阵的基础上,替换介质基板材料,改良单元接收层和发射层的结构,通过在金属圆片的“N”形蚀刻的四个角填补正方形金属贴片,设计得到一款Ka波段的基于频率选择表面的微带透射阵,接着将发射层金属贴片旋转180°,得到两种状态的单元结构。两种状态下的单元结构透射系数相位之差为180°,在此基础上,采用标准喇叭和对踵Vivaldi作为馈源,组成11×11=121的阵列,得到三种不同的排列组合,在HFSS和CST中联合仿真,结果表明频率选择表面很好的实现了波束可重构的功能。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN713;TN820
【部分图文】：

电路模拟吸收体示意图

13(c)三种状态下的方向图结果示意图图2.8方向图可重构天线示意图[26]绍了一种基于有限周期性结构的方向图可重构两侧，通过改变单元之间添加的 PIN 二极管的。对所提出的天线进行加工测试，结果表明该天比，同时在设计的频段内成功实现了方向图可向图结果示意图。

第三章 微带透射阵天线理论17图3.2 单层配置的传输系数[27]它可以在如图 3.2 所示的极坐标图中证明，使得幅度代表 并且角度代表 。透射系数表示极坐标图上的圆圈。最大传输系数（ B）仅在 （ п， п， ）的倍数下实现。实际上，我们可以接受将传输系数降低到一定限度。我们确定传输幅度限制的传输相位范围为 1dB 和 3dB。 图 3.2 分别用虚线绿色和红色圆圈表示 1dB 和 3dB 的幅度。因此，无论导电单元其形状如何，单层可达到的最大相位范围对于 1 dB 传输系数为 54°，对于 3 dB 传输系数为 90°。等式（3-9）表示作为传输相位的函数的反射幅度。当ě ( )为正时，正号有效
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王晖;屈绍波;;小型化频率选择表面研究现状及其应用进展[J];材料导报;2019年05期

2 李波;章一雄;张万平;汤一铭;薄亚明;;基于缝隙单元的3D多模频率选择结构研究[J];微波学报;2018年01期

3 覃凤;;频率选择表面基本理论及其应用研究[J];电子技术;2018年07期

4 许媛;;频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势[J];科技创新导报;2017年19期

5 刘小明;俞俊生;陈晓东;;太赫兹波段频率选择表面的设计与测试[J];太赫兹科学与电子信息学报;2015年06期

6 黄惠芬;张少芳;;使用新型频率选择表面反射板来提高超宽带天线的性能[J];新型工业化;2013年12期

7 刘国盛;田辉;;频率选择表面研究与设计[J];现代防御技术;2013年03期

8 王立超;张强;冯晓磊;;宽带多屏频率选择表面的设计研究[J];现代雷达;2012年08期

9 邓鹤栖;黄建;;应用于频率选择表面的等效电路分析的新方法[J];微波学报;2012年S1期

10 经纬;魏兴昌;戴高乐;;一种新型小尺寸宽带的频率选择表面设计[J];微波学报;2012年S2期

相关博士学位论文 前10条

1 张薇;频率选择表面吸波及极化转换特性研究[D];西北工业大学;2018年

2 历园园;小型化频率选择表面及其应用研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

3 寇娜;频率选择超构表面理论及其在孔径成像系统中的应用研究[D];西安电子科技大学;2018年

4 张坤哲;有源频率选择表面技术及应用研究[D];西安电子科技大学;2018年

5 赵鹏超;新型高性能频率选择表面研究[D];南京理工大学;2018年

6 左钰;新型三维频率选择结构的研究[D];南京大学;2013年

7 张建;有限大频率选择表面及其在雷达罩上的应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年

8 李永久;宽带平面反射阵和多层频率选择表面研究及其应用[D];西安电子科技大学;2015年

9 郑书峰;频率选择表面的小型化设计与优化技术研究[D];西安电子科技大学;2012年

10 徐欣欣;频率选择表面吸波特性的直接图解法分析与优化设计[D];华中科技大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 史向柱;共形频率选择表面及吸波器设计[D];南京航空航天大学;2019年

2 方俊颉;光控有源频率选择表面研究[D];南京航空航天大学;2018年

3 郝中银;方同轴型三维频率选择表面的研究与实现[D];南京师范大学;2019年

4 高瑾;新型吸透一体频率选择表面研究[D];南京航空航天大学;2019年

5 左翠莲;基于随机重叠圆环网栅的频率选择表面电磁屏蔽方法研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

6 徐强;薄层等离子体—频率选择表面复合结构电磁特性研究[D];国防科技大学;2017年

7 杨仕林;基于电磁耦合结构的频率选表面研究[D];国防科技大学;2017年

8 陈帅;可重构及小型化频率选择表面研究[D];西安电子科技大学;2019年

9 杨宏宝;电可调频率选择表面实现波束扫描技术研究[D];西安电子科技大学;2019年

10 刘铮艳;紧凑型双频与可重构频率选择表面研究[D];西安电子科技大学;2019年

本文编号：2870198