频率选择表面吸波及极化转换特性研究

发布时间：2020-11-09 17:32

　　 频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由相同的谐振单元按二维周期性排列构成的单层或多层平面结构,它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有选择特性,因而在电磁领域有广泛应用。近年来,有大量的FSS科研成果被报导,同时在工程应用方面获得了迅速发展。本文着重研究了不同结构频率选择表面的吸波特性及对电磁波极化的调控作用,包括电磁吸波结构、电磁折射率传感器和电磁线/圆极化转换器。论文主要研究内容及创新点包括:1.针对电子系统对工作在微波频段紧凑结构吸波材料的需求,结合FSS的吸波特性,研究了基于频率选择表面的吸波体,设计了三款不同类型的吸波体。第一款设计了一个环形吸波体,不仅可以完成5.68GHz和11.36GHz的大角度双频吸波,通过多个对称枝节的加载,实现了两个谐振频率的独立调节。第二款设计了一个基于磁性FSS的宽带吸波体,采用磁性FSS涂层代替普通的铜层,使吸收率和吸收带宽都有很大的改善,通过将多个单一磁性单元叠加,实现4.14GHz到12.74GHz的宽带吸波特性,该结构同样具有对入射波极化方式和入射角不敏感特性。第三款设计了多层宽带吸波体,运用电磁波干涉相消原理,对非磁性FSS结构进行设计,采用合适的匹配层优化自由空间和FSS结构的匹配,实现了3.95GHz到10.4GHz内超过90%的吸收特性。论文从阻抗匹配、单元谐振、反射干涉以及损耗机制等方面分别对三种吸波体的吸波原理进行解释,并通过样品测试对双频吸波体和反射相消宽带吸波体的性能进行验证。2.针对生物光学折射率传感器制备复杂、成本昂贵且对介电环境敏感等问题,结合FSS加工低廉、易于集成等特性,研究了基于频率选择表面的折射率传感器,设计了两款不同结构的折射率传感器。第一款设计了一个四臂加载的方环结构,当待测介质折射率在1.0到5~(1/2)范围内时,传感器的谐振频率与待测物的折射率有良好的线性关系,对传感特性进行分析发现该结构具有很高的灵敏度,其品质因数为3.73RIU~(-1)。第二款设计了一个T型加载圆环结构,不仅将测试范围扩展为1.0到10~(1/2),传感器的灵敏度也有进一步提升,品质因数提高到7.27RIU~(-1)。论文结合线性拟合的方法得到传感器的特征方程,可以由谐振频率准确计算出待测介质的折射率,并通过波导法对传感器进行验证,结果表明基于FSS的折射率传感器具有很高的准确度。3.针对线圆极化转换器对宽频带、宽入射角度和低插入损耗的需求,结合FSS对不同方向线极化波传输特性不同的特性,研究了基于频率选择表面的宽带圆极化器,设计了四款不同结构的圆极化器。第一款设计了一个多层直角形FSS结构,它具有72.3%的工作带宽,每个FSS层有一个空气间隔,它代替了部分介质层使整个结构的损耗变低。第二款设计了一个窗型FSS结构,它去掉空气间隔以避免加工和应用的限制,采用在金属方块上开窗的结构,获得62.38%的轴比带宽,同时该结构当入射角不超过30°时仍然可以保持稳定的工作状态。第三款设计了一个渐变圆形FSS结构,每个金属层的尺寸按照递减因子逐层改变,得到66.69%的轴比带宽,同时在不含空气间隔的情况下插入损耗明显减小。第四款设计了一个多层复合十字型FSS结构,每个金属层包含一个复合十字型贴片和一个贯穿整个单元的金属条。这种设计不仅可以使两个正交的线极化波获得相似的传输幅度,同时使这两者的传输相位接近90°,从而不仅得到了74%的轴比带宽,而且使工作频带内的插入损耗小于1dB,当入射角度不超过20°时也能保持宽带工作特性。论文对极化转换原因进行了详细分析,并通过样品测试验证了FSS结构可以实现宽带线-圆极化转换功能。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN713;TP212;O441.4
【部分图文】：

薄屏 FSS 和厚屏 FSS 相比，两者周期单元结构形状相同，金属屏厚度对 FSS 的频率响应不同[70]。文献[70]研究表明，厚屏 FSS 结构相对简单，带宽性能优于薄屏 FSS，中心频率透过率较高，具有广泛的潜在隐身用途。厚屏 FSS 由于优良的性能，在国外已经引起广泛关注，并得到快速发展[191-194]，而国内研究尚属空白，各家单位及高校均以薄屏 FSS 研究为主，这是由于厚屏 FSS 的设计中存在很多难题。首先，除了需要考虑薄屏 FSS 的因素外，还需要考虑金属屏的厚度、填充介质等因素造成的影响。其次，填充的介质材料于金属屏间的微小间隙也会由于热膨胀系数不同而导致不同的结果。此外，厚屏 FSS 只有保持单元一致性时才能获得良好的性能，因此制造较难，只能选用简单的单元形状，因为工艺难度大和金属屏厚度呈现正线性相关。最后，金属屏厚度不宜太大，否则会影响电磁波的正常传输。（a）中心连接单元（b）环形单元

子吸收并重新辐射某些波长的效率要远远高于其他波长，因此通过这种滤波器的透射率是频率的函数。滤波器的透射特性取决于 FSS 滤波器的金属结构，可以选择不同的结构单元刻蚀到金属中得到不同性能的滤波器。2.3.2 带栅结构的滤波特性带栅结构是最简单的 FSS 滤波器结构，其几何形状如图 2 - 5 所示。Capacitive Strip GratingIN OUTCInductive Strip GratingIN OUTLiEiE图 2 - 5 带栅结构当电场矢量iE垂直于金属带时，电场通过正弦振荡同时激励金属中的电子以相同方向振荡（如图 2 - 6）。当金属中的电子被电场来回驱动时，滤波器将在状态（a）和（b）之间不断切换。+ -+ -+ -+ -- +- +- +- +- - - -+ + + +电场方向垂直于金属带 电场方向平行于金属带

多层FSS单元结构及金属层几何示意图
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本文编号：2876755