频率选择表面相位梯度的设计与分析

发布时间：2020-08-27 07:31

【摘要】：雷达隐身技术作为一种提高军用武器生存力和提升作战能力的重要手段,对我国军事领域的发展具有特殊意义,而隐身技术的关键在于降低目标的雷达散射截面(Radar Cross section,RCS)。相位梯度超表面的提出为自由调控电磁波指明了方向,同时也为RCS的缩减提供了新的途径,而频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)作为一种新型吸波结构,在雷达隐身的应用上影响深远。本文旨在设计一种具有吸波性能的FSS相位梯度结构,在正入射4-12 GHz频率范围内有较好的RCS缩减性能。本文介绍了广义斯涅耳定律和相位梯度的异常反射原理,又从阵列天线理论推导出相位梯度的RCS缩减原理,为FSS相位梯度结构的设计提供了理论基础。同时,通过对FSS单元结构的等效电路模型精确建模,使等效参数对RCS缩减性能进行验证。运用MATLAB-CST联合仿真的方法设计了异常反射型FSS相位梯度结构的两种基本单元,单元之间的相位差在4-12 GHz保持为180°左右。然后用不同的排布方式、单元块组成构建了若干种相位梯度结构,分析了不同结构的RCS缩减性能。选取5*5单元块组成的一维FSS相位梯度结构,仿真结果能在4.1-12GHz实现15 dB以上的RCS缩减性能,并阐明了频率与异常反射角的关系。将异常反射原理应用于加载电阻器件的FSS结构上,形成吸波与异常反射相结合的FSS相位梯度结构。在目标频段选取两种具有稳定相位差的FSS单元结构,然后调节电阻阻值优化一维FSS相位梯度结构的RCS性能。仿真结果表明4.1-12 GHz频率范围能实现10 dB以上的RCS缩减,在4.8-10.8 GHz实现20dB以上RCS缩减性能。为了从理论上证明异常反射、吸收与异常反射相结合结合的设计思路对RCS缩减的作用,利用粒子群算法对FSS单元结构的等效参数精确提取。等效参数计算得到的RCS缩减与仿真结果中的RCS缩减基本符合,从而证实了提取参数的准确性以及相位梯度结构对RCS缩减的有效性。最后,制备实物样品,采用自由空间法在微波暗室中进行样品的反射率测量,异常反射型样品测试结果与仿真结果基本上符合,吸收与异常反射相结合的样品在5.4-8.4 GHz测得反射率低于-30 dB。所以,将相位梯度理论应用于吸波型FSS结构上,能同时发挥吸波作用和电磁波调控作用,与只有异常反射的FSS相位梯度结构相比,有更加优异的RCS缩减性能。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN95;E91
【图文】：

梯度,表面,折反射,表面研究

华中科技大学硕士学位论文金属狭缝宽度的变化，能够对局域相位自由地进行调制，并以此建立了超的折射和反射定律，即广义的折反射定律[27]。2011 年，哈佛大学 Capass课题组使用“V”形单元结构[28]，如图 1-1 所示，通过调节“V”形线夹角度，可以使透射（反射）的电磁波产生不同的透射（反射）相位，在介质面会形成相位不连续因素存在，从而在光波段实现了对反射波与折射波传向的调控，这一结果更加证实了之前广义折反射定律的概念，引起了国内关学者对相位梯度超表面研究的热潮。

近红外波段,梯度,表面,红外波段

图 1-2 (a)近红外波段“V”形梯度超表面[29](b)方转形超表面红外波段异常反射[31](c)“H”形超表面红外波段耦合成表面波[30]有-30 dB 以上的反射率，效率达到 99.9%以上，如图 1-3 所示，从能量流动以看出入射到超表面结构上的电磁波都被有相位梯度的谐振环耦合成了表（表面等离激元），从而得到极低的回波能量。

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-2 (a)近红外波段“V”形梯度超表面[29](b)方转形超表面红外波段异常反(c)“H”形超表面红外波段耦合成表面波[30] dB 以上的反射率，效率达到 99.9%以上，如图 1-3 所示，从能入射到超表面结构上的电磁波都被有相位梯度的谐振环耦合等离激元），从而得到极低的回波能量。

【参考文献】