基于随机重叠圆环网栅的频率选择表面电磁屏蔽方法研究

发布时间：2020-11-14 18:03

　　 光学仪器窗的电磁屏蔽技术在航天航空设备、精密光学仪器等领域具有广阔的应用前景。随着电磁环境的日益复杂以及探测精度的逐渐提升,对光学仪器窗的电磁屏蔽技术提出了更高的要求。为了在光学仪器窗电磁屏蔽波段内实现优良的频率选择特性,光学透明频率选择表面的研究受到了广泛的关注,光学透明频率选择表面需同时实现高透光率、强电磁屏蔽特性、低成像质量影响以及在探测波段的优良电磁传输特性。目前,现有的透明频率选择表面难以兼顾以上各项要求,因此,设计新型的透明频率选择表面以进一步提升其性能对光学仪器窗精密探测领域具有十分重要的意义。针对以上问题,本文将随机重叠圆环网栅与圆环型频率选择表面相结合提出了基于随机网栅的透明频率选择表面结构以进一步提升透明频率选择表面的光电性能,并对其电磁传输特性、光学透射性、光学衍射特性及电磁屏蔽特性进行了深入的理论及实验研究,主要研究内容如下:为了解决周期结构网栅光学衍射能量集中分布的问题,提出了基于重叠圆环网栅结构的新型参数随机方法。采用将随机结构离散化为矩阵的方法对网栅孔径函数进行等效以求解随机网栅的光学衍射能量分布。根据随机网栅透光面积与总面积比值求解其透光率。利用等效电路法对随机重叠圆环网栅电磁屏蔽效率进行建模,对传统等效电路模型进行修正得到适用于随机重叠圆环网栅的等效电路模型。仿真结果表明,随机重叠圆环网栅总透光率为95.96%,最大归一化高级次衍射能量为0.00157%,大大降低了对成像质量的影响,相比于周期结构重叠圆环网栅,其高级次衍射能量降低了81.1%,其在12~18 GHz波段电磁屏蔽效率优于23 dB。为了实现频率选择表面结构在毫米波波段优良的电磁传输特性,对频率选择表面结构参数进行了设计优化,仿真分析了周期参数、内外径参数、环形宽度参数、加载基底厚度对其电磁传输特性的影响。对圆环型频率选择表面的透光率进行了理论建模,经模型计算,其总透光率仅为6.96%。优化设计得到的圆环型频率选择表面的通带中心频率为35.12 GHz,通带最大透波率为-0.308dB,-3 dB带宽为10.78 GHz。为了兼顾光学透过性、强电磁屏蔽特性、低成像质量影响及毫米波波段的优良电磁传输特性,将随机重叠圆环网栅与圆环型频率选择表面相结合形成基于随机网栅的频率选择表面结构,该复合结构的总透光率为95.62%,相比于圆环型频率选择表面提升了88.66%,最大归一化高级次衍射能量仅为0.00158%,对成像质量造成的影响十分微弱。复合频率选择表面电磁传输特性曲线的通带中心频率为32.3 GHz,通带最大透波率为-0.79 dB,-3 dB带宽为13.4 GHz。对本文设计结构进行加工与实验测试,实验结果表明:随机重叠圆环网栅样片透光率为92.5%,高级次衍射能量分布均匀,降低了对成像质量的影响,其在12~18 GHz的电磁屏蔽效率优于18 dB。基于随机重叠圆环网栅的频率选择表面透光率为91.6%,其通带中心频率为31.3 GHz,最大通带透波率为-2.6dB,在改善传统频率选择表面低透光率的同时,保持了其原有的电磁传输特性,并且其高级次衍射能量分布十分均匀,对成像质量的影响很小。基于随机重叠圆环网栅的频率选择表面结构同时实现了在光学波段的高透过性、强电磁屏蔽特性、优良的电磁传输特性以及高成像质量。金属网栅及光学透明频率选择表面研究方法在精密探测光学仪器窗及航空航天装备领域具有重要的应用价值。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

施、医疗设备、电子显示等领域当中[6-10]。进行观测与探测，飞行器需在机舱内部配备器的工作波段通常处于可见光及红外波段。器中的应用如图 1-1 所示，飞行器为了进行定的光学透明窗口来为待探测波段信号提供光性以保证待探测波段的信号以最小的损器窗口的高透明性同时会使得对光电精密仪器中，影响精密光学仪器的探测精度，对精同时，飞行器机舱内的诸多精密光学仪器长干扰环境中，其性能会逐渐降低甚至失效，十分严重。因此，同时保证光学探测窗口在磁波段的强屏蔽特性具有重要意义[11-14]。多一个重要的发展趋势，即在光学仪器窗口电波波段处优良的电磁传输特性，可实现在毫

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文状与发展趋势外研究现状栅为具有一定大小的周期与线宽的属网栅如图 1-2 所示，金属网栅具波段的电磁波波长远小于金属网栅网栅周期参数的可见光及红外波段长远大于网栅的周期，因此金属网特性。金属网栅兼具光学波段的高特性，进而实现了光学透明窗口的

图 1-3 周期圆环结构金属网栅[31]人在 2009 年提出了随机毂-辐条型结构网栅、随重叠圆环结构网栅[32]，周期方格网栅结构及其衍，随机六边形网栅结构及其对应的衍射能量分随机网栅结构及其对应的衍射能量分布图如图结构及其对应的衍射能量分布图如图 1-7 所示。期结构网栅，金属网栅结构的随机化可以更好地能量的作用。随机六边形结构网栅衍射能量仍集相比于周期方格网栅衍射特性的改善较弱。随机构网栅均化高级次衍射能量的效果显著，证实了单元在均化高级次衍射能量方面更具优势。但文改善仅做了定性的分析，未设定评定指标来进行构金属网栅的电磁屏蔽效率进行仿真与实验分析
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本文编号：2883787