新型高性能频率选择表面研究

发布时间：2020-09-04 18:14

　　频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种对空间电磁波产生频率选择效应的周期结构,它被广泛应用于混合雷达罩、反射面天线、无线安全屏蔽、人工磁导体等领域。这些领域的高速发展对FSS的性能不断提出新的要求,例如:小型化、带宽可调、极化独立可控、高阶滤波、超宽带、低剖面、频带数量和比率可控的多频特性等。然而,现有的FSS结构通常只能实现其中一种或两种特性,并存在结构复杂、设计耗时等问题。针对这些问题,本文探讨了FSS高性能的实现途径,提出了兼具多种高性能和易于等效电路构建的FSS新结构,实现了它们基于等效电路的高效设计,并对单层缝隙型FSS开展了部分元等效电路建模研究,提出了其通用等效电路建模方法。本论文的主要创新性工作可以概括如下:1.弯折型小型化FSS研究:提出了一种结构简单、小型化特性突出和频响特性稳定的新型弯折单元,该弯折单元通过对偶极子进行弯折与交织同时提高了电感和电容效应,从而单元周期可以小至0.048λ0(λ0是自由空间的谐振波长)。利用该弯折偶极子单元的互补结构实现了双频小型化FSS设计,其单元周期为0.046λ0。针对单层弯折单元存在的小型化性能受限的问题,本文进一步提出了基于多层弯折结构的超小型化带通和带阻FSS设计方法。其中,带通FSS通过对弯折缝隙偶极子单元加载多层弯折缝隙栅格单元大幅增大FSS的等效电容,从而实现了0.019λλ0的超小型化特性。带阻FSS则由多层弯折偶极子单元构成并且通过金属通孔实现各层单元的串联,该结构同时增大了FSS的等效电感与电容,从而实现了0.016λ0的超小型化特性。对于这些小型化的单频和双频FSS,分别建立了它们各自的等效电路模型,并且推导了提取等效电路参数的闭合公式。因此,这些等效电路不仅可用于解释FSS的谐振机理和准确模拟FSS的频响特性,还可以代替全波仿真软件实现FSS的快速优化设计。2.基于几何可分离电感和电容的FSS设计与研究:传统FSS结构具有分布参数特性,其频响特性是由单元形状和物理参数共同决定。这类FSS结构存在难以实现高性能和物理参数优化耗时的问题。针对这些问题,提出了一种基于几何可分离弯折线电感器(Meander Line Inductor,MLI)和平板电容器(Parallel Plate Capacitor,PPC)的新型FSS结构。该FSS结构的单元可以根据电路理论进行构建以实现需要的频响特性,其等效电感和电容可以通过MLI和PPC进行独立调节。因此,该结构可以灵活地用于各种高性能FSS的设计。例如:①带宽可调、极化独立可控的单频带通、带阻和带通带阻混合型FSS;②频带比率范围分别达到1.35～3.8和1.31～4.22双频带通和带阻FSS;③厚度仅为λ0/11的低剖面三阶带通FSS和带宽达到121%的超宽带三阶带通FSS。对于这些高性能FSS,由于其单元内的MLI和PPC分别具有准集总的电感和电容特性,它们的单元周期都小于0.1λ0,有的甚至达到了0.035λ0,因此它们的频响特性对入射波的极化和入射角度不敏感。此外,由于这些FSS本身具有近似电路性质的单元结构,可以很容易建立它们的等效电路模型以及电路参数提取公式,这些等效电路和闭合公式可以用于解释FSS的谐振机理、计算FSS频响特性和实现FSS的高效设计。3.基于并联LC谐振器的多频FSS设计与研究:针对传统多频FSS存在的频带个数受限、容易产生寄生谐振、设计困难等问题,提出一种基于并联LC谐振器的多频FSS结构。并联LC谐振器是由分别产生电容和电感效应的PPC与通孔连接的金属带状线(Via-Connected Metallic Line,VCML)构成。该FSS结构通过在单元中引入2N个并联LC谐振器以分别实现TE和TM极化情况下N频带通滤波特性,其各个频带的中心频率与带宽可通过对应谐振器进行独立调节。基于该结构,本文给出了1～5频带通FSS的设计实例。此外,在这些多频带通FSS单元中额外引入一组串联的PPC可以实现相应多频带的带阻FSS设计。对于这些多频带通和带阻FSS,由于其单元中的PPC具有准集总的电容特性,它们都具有小型化特性,因此在频带个数增多以及频带比率变大时不会出现栅瓣和寄生谐振,并且在不同极化和入射角度下都具有稳定的滤波特性。对这些多频FSS进行了等效电路分析,它们的电路模型不仅可以解释FSS谐振机理和计算FSS频响特性,还可以指导多频FSS单元的构建。4.单层缝隙型FSS的磁流PEEC建模研究:针对单层缝隙型FSS存在的构建准确等效电路和推导电路参数闭合公式困难的问题,提出了周期结构的磁流部分元等效电路(Partial Element Equivalent Circuit,PEEC)建模方法,该方法普遍适用于各种缝隙型FSS的全波等效电路建模。相比于传统的电流PEEC方法,磁流PEEC方法只需要对FSS单个单元的缝隙部分进行一维网格剖分并建立相应的部分元电路,因此电路元件个数以及电路复杂度大大降低,从而便于实现FSS的高效设计。为了验证该方法的有效性,分别对方形缝隙环、十字缝隙、和Y型缝隙FSS进行了磁流PEEC建模,并且利用电路模型对FSS的频响特性进行了分析。分析结果显示,这种全波等效电路模型可以在0～20 GHz的超宽频带内准确计算FSS在不同极化和入射角度下的频响特性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN957.2
【部分图文】：

示意图,雷达罩,带通,原理

ＦＳＳ被广泛应用于混合雷达罩、反射面天线、无线安全屏蔽、吸波体、人工磁导逡逑体等领域［｜＿３］。逡逑图１．１是一种基于带通ＦＳＳ的混合雷达罩的原理示意图⑴，ＦＳＳ的通带与天线阵列逡逑工作频带相同，这种雷达罩主要用在战斗机的机头位置以减小其天线系统的雷达散射截逡逑面（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ，ＲＣＳ）。在ＦＳＳ的通带范围外，电磁波在雷达罩上产生镜面反逡逑射，雷达罩的特殊外形形状使得后向散射电磁波非常微弱，从而有效降低了天线的ＲＣＳ。逡逑而在ＦＳＳ通带范围内，天线阵列的辐射波可以无耗地通过雷达罩，保证战斗机的正常通逡逑讯。逡逑＾逦强反射逡逑、逦ｓ邋／逡逑后向散射／／喊有低ＲＣＳ逡逑带通邋ＦＳＳ逡逑图１．１基于带通ＦＳＳ的混合雷达罩原理示意图逡逑图１．１所示的混合雷达罩对不同角度入射的电磁波，其带通ＦＳＳ的谐振频率会偏移，逡逑造成通信质量变差。这主要是因为传统ＦＳＳ单元尺寸过大，其中环形单元的周长约等于逡逑谐振波长，中心连接型单元的极子长度则约等于半波长。同时，实际的雷达罩通常是具逡逑有一定弧度的曲面结构而非图１．１所示的平面结构

等效电路法,学者,有限周期,匹配分析

多层级联、有限周期结构的ＦＳＳ的有效分析Ｐ１５ｌ；邋Ｃ．Ｃ．邋Ｃｈｅｎ教授提出式匹配分析方法［１６－１８］；英国肯特大学的Ｅ．邋Ａ．邋Ｐａｒｋｅｒ和Ｊ．邋Ｃ．邋Ｖａｒｄａｘｏｇｌ用等效电路法对一些基本单元结构的ＦＳＳ进行了有效分析，得到其等究了各个结构参数对ＦＳＳ传输特性的影响［１（）２－１Ｇ７］。此外，国内也有多全面研究［｜９，２３１这些理论与技术的研究为ＦＳＳ的应用和发展奠定了来，为了不断适应日益发展的无线通信和雷达探测技术，国内外学者ＦＳＳ结构以实现更好的频率选择特性。并且，等效电路法作为一种简确的分析方法也受到学者们的关注与研究。本节将针对这两方面对国究现状进行概述。逡逑的结构研宄逡逑宄初期，学者们通过不断尝试提出了多种基本的ＦＳＳ单元结构如图１．３以分为中心连接型、环型和实心型［｜］，基于这些单元的贴片型和缝隙频带阻和带通特性，它们的单元尺寸通常与谐振波长相比拟。近年、加载、分形等一些技术对这些基本单元进行变形和组合，以实现等特性。逡逑

弯折,单元结构,文献

良好的小型化特性。在这些弯折型的ＦＳＳ中，弯折方式是影响小型化特性的重要因素。逡逑例如，图丨．４邋（ａ）和（ｂ）分别采用两种不同的方式对十字单元进行弯折，它们的单元尺逡逑寸分别为Ｏ．ｌＯＡｏ和０．０６丨／１0邋（；１0是自由空间的谐振波长），这表明图１．４邋（ｂ）所示弯折逡逑方式可以实现更好的小型化特性。这些弯折型ＦＳＳ主要是通过弯折金属线增大了单元的逡逑电感效应，从而在固定单元尺寸的情况下谐振频率降低，但是这些ＦＳＳ的带宽也会相应逡逑减小。逡逑（ａ）文献［２５］逦（ｂ）文献［３０］逦（ｃ）文献［３１】逡逑图１．４文献中已提出的基于十字结构的弯折单元结构图逡逑２００６年，英国学者Ｊ．Ｃ．邋Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ首次提出了宽带的小型化ＦＳＳ如图１．４邋（ｃ）所示逡逑相比于图１．４（ａ）所示弯折结构，该结构不仅对十字单元四个方向的极子进行弯折，逡逑还将其与相邻单元的极子进行交织，这种特殊设计增大了单元的电容效应，因此在实现逡逑小型化的同时还将ＦＳＳ的相对带宽增加至６０％。近些年来，这种弯折交织技术也被应川逡逑于其它一些传统ＦＳＳ单元，比如：耶路撒冷十字＾功、方形环［３４］、六边形环［３５］等。此逡逑夕卜，还有？些学者对具有双频特性的弯折型ＦＳＳ进行了深入研宄，提出希尔伯特型［３６，３火逡逑双弯折圆环［３８１、弯折锚形环等一些双频小型化ＦＳＳｌ４（Ｍ１ｌ。逡逑需要说明的是

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