耦合型主动频率选择表面滤波特性研究

发布时间：2017-05-14 21:03

  本文关键词：耦合型主动频率选择表面滤波特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：主动频率选择表面(Active Frequency Selective Surface,AFSS,简称主动FSS)是指在外界激励控制下,工作频点、通带开关等滤波特性可调控的一种人工电磁材料,通常由滤波结构和激励源构成。与无源被动FSS相比,主动FSS在应对复杂多变的电磁环境挑战时更具优势,是飞行器雷达隐身、卫星通信及先进仪器电磁兼容等领域的研究热点。目前,主动FSS一般存在三个问题:一是激励源的引入造成FSS透过率严重衰减;二是FSS谐振结构限制激励源的技术实现途径;三是需进一步增强主动FSS结构入射角度稳定性。为使主动FSS具有工作频率可调谐或具有传输通带可开关的滤波特性,同时还具有良好的入射角度稳定性和较高的通带透过率,论文通过理论分析,研究被动FSS、耦合型FSS、主动FSS的滤波特性和滤波原理,确定耦合型FSS结构在通带透过率、激励源实现途径和入射角度稳定性等方面具有优势。因此,论文采用耦合型FSS结构,结合多种激励源加载方式,并针对主动FSS在极化特性可分离、工作频率可调谐以及传输通带可开关等方面的需求,围绕耦合型主动FSS的设计原理和工作机理等问题开展相应的理论研究和实验测试工作,为主动FSS应用提供技术储备。论文的主要研究工作如下:从耦合型主动FSS的基础理论入手,分析传统被动FSS的滤波特性,从PIN二极管和可变电介质的工作原理出发,研究各类型主动FSS的工作机理。以近场相互作用的观点探索耦合型FSS的耦合机理,指出FSS屏的几何结构、两屏间的相对位置、距离等均是影响耦合型FSS滤波特性的主要因素,并得出耦合型FSS结构在入射角度稳定性和插入损耗等方面具有优势的结论,是开展下一步耦合型主动FSS设计和分析的理论基础。在耦合机理的研究基础上,选取耦合型FSS结构,通过引入横向位移操作,建立具有极化分离特性的FSS结构模型。该模型的提出再次验证了两FSS屏间相对位置对耦合型FSS结构滤波特性的调控作用。全波数值分析和实验测试表明,该结构具有稳定的极化分离特性,入射角度可达到60°,且插入损耗较小,通带透过率达到-0.3d B。将结构旋转90°可切换极化滤波状态,具有可重构特性,为进一步深入研究耦合型主动FSS结构提供理论依据。依据相对位置对耦合型FSS结构滤波特性的影响规律,采用具有旋转对称性的Y形贴片单元和Y形孔径单元构成耦合型FSS结构,通过引入连续旋转操作建立具有频率可调谐特性的耦合型主动FSS模型。与加载变容二极管的主动FSS相比,该物理模型最突出的优点是工作频率调谐范围大,理论仿真模型的频率调谐范围高达8.6GHz,该结构还具有良好的入射角度稳定性(50°)、极化稳定性、以及较小的插入损耗。该耦合型主动FSS模型的建立为解决主动FSS在频率调谐范围、入射角度稳定性、插入损耗等方面的问题提出了一个可行方案,并为实现调谐型主动FSS提供新的技术实现途径。将PIN二极管与耦合型FSS结合,依据PIN二极管的阻抗特性,建立具有通带开关特性的耦合型主动FSS模型。选取ELC单元并变形设计,实现滤波结构和馈电线路的融合,有效地减少过孔和馈线对FSS传输特性的影响。该耦合型主动FSS具有稳定的通带开关特性,入射角度可达到45°。依据仿真分析结果提出增大PIN二极管的反偏并联电阻能够提高主动FSS的通带透过率,为解决主动FSS透过率问题提出了可行方案。论文还总结主动FSS的制备方案和工艺参数,为主动FSS的自动化制备提供参考工艺。
【关键词】：电磁耦合 频率选择表面 主动频率选择表面 集总元件 等效电路方法 极化分离 可调谐滤波特性 通带开关滤波特性
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN03
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 课题研究背景及意义13-18
• 1.2 国内外研究现状18-29
• 1.2.1 频率选择表面的研究现状18-22
• 1.2.2 主动频率选择表面的研究现状22-27
• 1.2.3 耦合型频率选择表面的研究现状27-29
• 1.3 论文研究目的29-30
• 1.4 论文研究内容30-33
• 第2章 耦合型主动频率选择表面的基础理论33-65
• 2.1 频率选择表面的滤波特性33-36
• 2.2 主动FSS的工作机理分析36-41
• 2.2.1 基于PIN二极管的主动FSS工作机理37-39
• 2.2.2 基于光控可变电介质的主动FSS工作机理39-41
• 2.3 耦合型FSS的耦合机理分析41-46
• 2.4 全波数值分析方法46-54
• 2.4.1 Floquet定理47-50
• 2.4.2 耦合积分方程方法50-54
• 2.5 等效电路方法54-62
• 2.5.1 传输线理论及FSS阻抗54-58
• 2.5.2 典型结构的等效电路模型58-62
• 2.6 本章小结62-65
• 第3章 具有极化分离功能的耦合型主动FSS滤波特性研究65-81
• 3.1 极化分离滤波特性的实现方法65-66
• 3.2 耦合型极化分离结构模型66-69
• 3.3 耦合机理和横向位移的调制作用分析69-72
• 3.4 滤波特性研究72-78
• 3.4.1 独立屏FSS的滤波特性72-74
• 3.4.2 耦合型FSS的滤波特性74-75
• 3.4.3 入射角度稳定性分析75-76
• 3.4.4 耦合介质的影响76-77
• 3.4.5 圆半径r的影响77-78
• 3.5 实验验证78-80
• 3.6 本章小结80-81
• 第4章 具有频率可调谐功能的耦合型主动FSS滤波特性研究81-99
• 4.1 具有调谐功能的耦合型主动FSS模型81-83
• 4.2 频率调谐机理83-87
• 4.3 滤波特性研究87-96
• 4.3.1 独立屏FSS的滤波特性88-89
• 4.3.2 耦合型主动FSS的滤波特性89-90
• 4.3.3 入射角度稳定性和极化稳定性分析90-91
• 4.3.4 耦合介质的影响91-92
• 4.3.5 两FSS屏间对准精度的影响92-96
• 4.4 实验验证96-97
• 4.5 本章小结97-99
• 第5章 具有通带开关特性的耦合型主动FSS滤波特性研究99-117
• 5.1 ELC结构99-101
• 5.2 通带开关型主动FSS模型101-102
• 5.3 通带开-关滤波机理分析102-104
• 5.4 滤波特性研究104-110
• 5.4.1 独立屏FSS的滤波特性105
• 5.4.2 裸板的滤波特性105-106
• 5.4.3 加载PIN二极管的耦合型主动FSS的滤波特性106-107
• 5.4.4 入射角度稳定性107-108
• 5.4.5 耦合介质的影响108-109
• 5.4.6 并联电阻ROFF对耦合型主动FSS滤波特性的影响109-110
• 5.5 实验验证110-114
• 5.5.1 样件加工方案110-112
• 5.5.2 实验测试112-114
• 5.6 本章小结114-117
• 第6章 总结与展望117-121
• 6.1 论文总结117-118
• 6.2 工作展望118-121
• 参考文献121-133
• 在学期间学术成果情况133-135
• 指导教师及作者简介135-136
• 致谢13

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