新型高性能频率选择表面研究

摘要

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0.019λ0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 ElementEquivalent 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0～20GHz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。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 FSS的结构研究

1．2．2 FSS等效电路研究

1．3论文研究内容及结构安排

2弯折型小型化FSS研究

2．1引言

2．2弯折结构小型化原理

2．3基于弯折偶极子的单频小型化FSS

2．3．1弯折偶极子单元构造

2．3．2 CSD-FSS结构与性能

2．3．3 CSD-FSS等效电路与闭合公式

2．3．4 CSD-FSS参数分析与优化设计

2．3．5小结

2．4基于互补弯折偶极子的双频小型化带通FSS

2．4．1互补结构双频FSS设计原理

2．4．2 CCD-FSS结构与性能

2．4．3 CCD-FSS等效电路和参数分析

2．4．4 CCD-FSS加工与测试

2．4．5小结

2．5基于多层弯折结构的超小型化带通FSS

2．5．1多层结构带通FSS的小型化原理

2．5．2 CSG结构与性能

2．5．3 CSD-CSG-FSS结构与性能

2．5．4 CSD-CSG-FSS等效电路与参数分析

2．5．5 CSD-CSG-FSS加工与测试

2．5．6小结

2．6基于多层弯折结构的超小型化带阻FSS

2．6．1多层结构带阻FSS的小型化原理

2．6．2 DLCD-FSS结构与性能

2．6．3 DLCD-FSS等效电路与参数分析

2．6．4 DLCD-FSS加工与测试

2．6．5小结

2．7本章总结

3基于几何可分离电感和电容的FSS设计与研究

3．1引言

3．2设计原理

3．3极化独立可控、带宽可调的单频小型化FSS

3．3．1带通FSS

3．3．2带阻FSS

3．3．3带通带阻混合型FSS

3．3．4小结

3．4超宽频带比率范围的双频小型化FSS

3．4．1带通FSS

3．4．2带阻FSS

3．4．3小结

3．5高阶的小型化FSS

3．5．1原理分析

3．5．2低剖面FSS设计

3．5．3超宽带FSS设计

3．5．4小结

3．6本章总结

4基于并联LC谐振器的多频FSS设计与研究

4．1引言

4．2并联LC谐振器

4．2．1结构描述

4．2．2阵列性能分析

4．2．3等效电路分析

4．2．4小结

4．3带通FSS

4．3．1原理分析

4．3．2单频带通FSS设计

4．3．3双频带通FSS设计

4．3．4三频带通FSS设计

4．3．5多频带通FSS设计

4．3．6小结

4．4带阻FSS

4．4．1原理分析

4．4．2多频带阻FSS设计

4．4．3小结

4．5本章总结

5单层缝隙型FSS的磁流PEEC建模研究

5．1引言

5．2磁场混合位积分方程

5．3周期格林函数

5．4部分元等效电路建模

5．4．1部分元电路模型定义

5．4．2部分电感和部分电容计算

5．5 FSS频响特性计算

5．5．1平面波激励

5．5．2散射参数求解

5．6计算实例

5．7本章总结

6结束语

6．1论文工作总结

6．2后续工作展望

致谢

参考文献

附录