光控有源频率选择表面研究

发布时间：2020-09-01 17:18

　　随着现代战争的不断发展,军事隐身需求越来越强烈,频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)凭借其独特的电磁性能受到了研究人员的广泛关注。有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface,AFSS)通过加载有源器件进一步发展了FSS的研究,使其能够主动控制自身电磁性能,集成多种功能,在隐身吸波、无线通信和电磁屏蔽等方面具有很强的应用潜力。本文研究光控有源频率选择表面(Optically Controlled Active Frquency Selective Surface,OCAFSS),使用光照控制的方法替代常见AFSS的电控,避免了馈电网络带来的不良影响。本文的主要工作及创新点如下:1)光控微波开关研究使用等效电路模型和分层等离子体模型对光控微波开关进行理论分析,构建了电磁仿真模型。制作了一些光控微波开关,分别使用LED和激光对其进行测试,并分析了相关因素对光控微波开关性能的影响。2)带通/屏蔽型OCAFSS研究基于光控微波开关的研究成果,设计了一款以缝隙型耶路撒冷十字为基本结构的C波段OCAFSS,其功能为暗态透波,亮态屏蔽,具有非常稳定的极化特性。同时,分析了OCAFSS等效电路模型,获得了较为准确的结果。为了进行实验测试,设计了一款平板波导,实测结果验证了OCAFSS的带通/屏蔽设计功能。3)吸波率可连续调节的OCAFSS研究基于实时控制我方飞行器RCS以模拟其他飞行器从而误导敌方雷达做出错误识别制定错误战略的思想,提出一款吸波率/RCS可连续调节的OCAFSS。该款OCAFSS工作于X波段,无光照时为反射特性,随着光照的增强,吸波率逐渐提高,RCS逐渐下降,达到峰值后又会逐渐出现反射特性。此外,该款OCAFSS对光源功率的要求较低,并且仍能被继续优化以得到对光电导率要求更低的OCAFSS。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ5
【部分图文】：

材料,隐身技术,电磁波,雷达探测系统

前较为常见的隐身技术，目的都是大幅降低目标雷达散射截面（RadarCrossSection,RCS避免被敌方雷达探测系统发现。随着隐身技术的发展，除了传统的对军事目标外型结构合理优化以减低 RCS 和使用涂层材料隐身之外，发源于 20 世纪 60 年代的频率选择表]（Frequency Selective Surface, FSS）由于其在隐身方面潜在的军事用途得到了大家的广注和研究[2][3][4][5][6]。作为一种人工电磁材料，FSS 具有空间滤波性，可以对特定频段的电磁波进行选择性或屏蔽，这种电磁调控能力随着相关研究的不断进行，除了在军事隐身方面的应用，还用的无线通信、电磁屏蔽等领域展现出了很多潜力，对于发展新一代通信技术、解决越严重的电磁污染、保障各类电子设备的正常运行和应对当前日益复杂的电磁环境都有很助。此外，近些年，从左手材料、双负材料发展而来的超材料（Metamaterial）进展迅速，超越了原来狭义的概念，在传统电磁波段[7][8]、太赫兹波段[9]、光波段[10][11]甚至声学[12学[13]都有许多成果，已经被普遍认为囊括了 FSS，成为广义上人工电磁材料的代名词。，超材料的发展为 FSS 的研究注入了新的活力，人们在探索 FSS 更多结构、更多类型多特性上进行了更多的挑战。

探测雷达,工作频段,电磁环境,频率选择表面

光控有源频率选择表面研究力虽然很有特色较为突出，但是一旦设计加工完成，其电磁性能就基本固定了。因此，传FSS 无法主动改变自身频响特性以适应外部电磁环境的变化，具有很大的局限性，其主要现为具有单一的频率特性、单一的相位特性和固定的极化特性。这些问题使无源 FSS 在多时候无法满足在复杂变化的外部电磁环境中高性能工作的要求。比如应用于雷达天线时，其带通频段包含天线工作频段，若敌方探测雷达频段与我方天线工作频段有重合，则测雷达波会通过 FSS 照射到天线上从而产生强散射使战机失去隐身功能。因此，实现针电磁波多状态多功能的主动控制以适应复杂变化的外部电磁环境成为了 FSS 发展的主要势。有源频率选择表面（ActiveFrequencySelectiveSurface,AFSS）于是应运而出，解决了统无源 FSS 的性能缺陷，例如将 AFSS 应用于雷达天线罩时，我方战机可选择不同频段行通信，也可以在需要通信时打开 AFSS 电磁窗口，在静默时屏蔽/吸收探测雷达波，这样使敌方探测雷达部分覆盖了我方工作频段也不会使战机丧失隐身性能。

等离子层,光电导率,准连续激光,微带结构

南京航空航天大学硕士学位论文OCAFSS 作为一种新型的 AFSS，其核心思想是通过光敏器件替代原有的需要偏置的有源器件，用光照射光敏器件改变其电抗特性从而控制 AFSS 不同功能的转换。在这个控制过程中，由于无需偏置电压，因此减少了设计馈电网络的步骤，使研究人员可以专注于 OCAFSS结构和功能的设计而不用分心考虑馈线的影响。目前国内外对 OCAFSS 的研究还比较初步，其使用的光控技术起始于光控微波开关的相关研究。1988 年，W. Platte 对低占空比脉冲激光激励下的光控微波开关的光电导率和等离子层深度变化进行了分析，之后扩展到准连续激光激发下的光控微波开关的有效光电导率和有效等离子层深度变化，相关的实验结果对理论推导也进行了很好的验证[28][29][30]。

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