基于变容二极管的有源频率选择表面研究

发布时间：2020-11-19 17:30

　　 频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,FSS)是一种由金属单元周期性组合而成的人工电磁材料,可以有效地控制入射电磁波的透射和反射,广泛应用于卫星通信领域,还能实现飞行器的隐身,具有至关重要的军事应用价值。有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface,AFSS)的滤波特性可以通过控制外部激励来调节,能够快速地应对复杂多变的电磁工作环境,因此成为世界各国频率选择表面领域的研究重点。本文首先研究了FSS的基本概念和滤波机理,从不同角度介绍了FSS的分类和各自的特性,着重介绍了传统无源FSS中单元结构、单元间距、单元尺寸、介质层材质、入射波角度和极化方式对其滤波特性的影响,并且介绍了频率选择表面中栅瓣和表面波的负面影响及其出现原因。其次,研究了基于变容二极管的有源频率选择表面的设计方式,分析了馈线网络对频率选择表面谐振特性的影响,之后基于方形缝隙环FSS,设计了一种加载电感的新型馈线网络,有效地减小了馈线网络对频率选择表面谐振特性尤其是插入损耗引起的不良影响。并使用矩形波导测试法对使用新型馈线网络的缝隙型FSS进行加工测试。接着,设计了一种基于变容二极管的有源无馈线FSS,其单元结构中的过孔和金属结构为变容二极管的馈电提供了直流通路,无需额外添加馈线网络,避免了馈线加载对FSS谐振特性的不良影响。但是,这种结构在不同的入射波极化方式下谐振特性会有细微差别。最后,对上述有源无馈线FSS的结构进行改进,设计了一种极化不敏感的有源无馈线FSS,无需额外添加馈线网络,并且具有良好的频率可调谐性和极化不敏感性。并使用横电磁波室测试法对这种有源无馈线FSS进行加工测试,测试结果表明,可以通过控制变容二极管两端的反向偏置电压,使FSS的谐振中心频率在8-10GHz之间调谐。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN312.1;O441
【部分图文】：

硕士研究生学位论文 第二章 频率选择表子振荡的能量变少，透过频率选择表面的能量变多。由图 2. 1 可知，滤波性能与 LC 串联谐振电路类似，可将金属贴片用电感 L 表示，将隙用电容 C 表示。当入射电磁波的频率与 FSS 的谐振频率相同时，频最好，在理想条件下可以达到全反射。

图 2. 2 孔径型 FSS 及其等效电路机制分类选择表面工作机制的不同，可将频率选择表面单元分成两类：无选择表面[62]。频率选择表面是指根据需要的传输特性直接设计单元形状。经过S 的研究已经比较深入，研究人员提出了许多的分析方法，无源熟，越来越多性能优异的单元结构被设计出来。尽管如此，电磁SS 无法避免的缺陷。在此基础上有源 FSS 逐渐发展起来。选择表面是在传统无源频率选择表面的基础上建立而来的。在当无源频率选择表面传输特性的不可变性很大程度得限制了它的适源可重构频率选择表面在研究人员和学者的努力中日渐成熟。

如图2.3 所示。环形结构又可细分为圆环结构、方环结构、多边形环结构等。中心连接型结构可分为十字结构、Y 型结构、耶路撒冷十字结构、偶极子结构等；实心结构包括方形贴片、圆形贴片、六边形贴片、三角形贴片等。组合型结构则指的是由上述各种单元结构组合而成的多单元结构，因此也具有各种结构的特性。环形结构由偶极子发展而来，采用环形单元的 FSS 的单元间距必须大于四分之一波长。环形 FSS 阵列的谐振频率的波长与环形结构的周长大致相等，且 FSS 的角度稳定性较好。中心连接形结构一般用于设计带阻型 FSS，一般来说，这种结构的长度为谐振频率波长的一半，FSS 单元尺寸较小。实心结构组成简单，是较早使用的结构，容易出现栅瓣，谐振中心频率受其它参数的影响较大，在设计中并不常使用。组合结构的组成较为复杂，由多种结构组合演化而成，包含了多种结构的特性。FSS 单元形状直接影响表面感应电流的分布，对 FSS 谐振特性其决定性作用。不同的单元结构影响的不只是 FSS 的谐振频率，还包括极化稳定性、角度稳定性、工作带宽等性能。比如，有的单元结构可以实现宽带，有的单元结构插入损耗很小，有的结构具有良好的极化稳定性和角度稳定性等等。因此，在 FSS 设计中，需要根据需求选择合适的单元结构类型。无介质的单层 FSS 性能对比如表 2. 1 所示
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本文编号：2890264