基于分形图案的频率选择表面的仿真设计

摘要

频率选择表面(Frequency Selective Surface,简称 FSS)被广泛地应用在天线、天线罩、隐身技术等领域。而分形图案由于其具有自相似特性，利用这一特性将分形图案作为周期单元应用于频率选择表面设计，使之具有多频谐振的特性。本文围绕拓宽频率选择表面的吸波带宽，提高和优化频率选择表面在低频段（2 GHz-6 GHz）的宽带吸收等问题，对分形图案的频率选择表面的电磁特性进行了仿真探索。
　　本文对单一分形图案的频率选择表面的电磁特性以及规律进行了研究。在单一分形图案的单层频率选择表面的研究中，铜材质的十字分形的频率选择表面表现出多频特性，但每个频带并不宽，采用方阻材质后拓展了高频波段的吸收带宽。方阻材质的二阶十字分形FSS相比铜材质的二阶十字分形FSS在-10 dB的吸收带宽从4 GHz-4.5 GHz拓展到了7.5 GHz-17.4 GHz。方阻材质的标准闵可夫斯基分形FSS在高频区域有着良好的吸收带宽，但在低频区域的吸波性能仍不理想，所以本文在标准闵可夫斯基分形的基础上做了改进，提出了一种闵可夫斯基准分形。为了拓展2 GHz-6 GHz的吸收带宽，对多层FSS做了研究，单一分形图案的多层FSS设计使吸收峰向低频移动，拓展了低频区域的吸波频带，但吸收频带并不能覆盖2 GHz-6 GHz。
　　由于多种图案复合的FSS具有拓宽频带的效果，为了达到2 GHz-6 GHz的-6 dB的设计目标，所以本文研究了多种分形图案复合的FSS。首先对基于FR4介质的闵可夫斯基准分形和十字分形或耶路撒冷十字架型分形复合的多层 FSS分别做了研究。多种分形图案的复合拓宽了低频区域的吸波频带，通过加入方阻材质的单元图案，更进一步获得了2.2 GHz-7.9 GHz的-6 dB宽频吸收效果。在空气层和FSS之间的介质板起到了匹配层的作用，使用一个介电常数相对较小的介质可以更好地达到阻抗匹配，从而拓宽吸波频带。然后，本文研究讨论了基于F4B介质的闵可夫斯基准分形和耶路撒冷十字架型分形的复合结构的频率选择表面。其-6 dB吸收频带为2.1 GHz-8.9 GHz，达到了预期的2 GHz-6 GHz的-6 dB的宽频吸收。这说明F4B作为介质层优化和拓宽了吸收频带。分形图案具有单元尺寸小与对称性好的特点，其对入射角和极化不敏感。
　　以分形与复合分形图案为单元，有助于频率选择表面在低频实现宽带吸收性能，并使其具有对入射角和极化不敏感的特点。分形图案的频率选择表面具有一定的工程意义和价值。

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1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 分形的发展历程

1.2.2 隐身技术的国内外研究现状

1.2.3 分形图案的频率选择表面的国内外研究现状

1.3 本文的研究工作概述

2 单一分形图案的频率选择表面的研究

2.1 频率选择表面的仿真建模方法

2.2 十字分形的频率选择表面

2.2.1 加载集总电阻的十字分形频率选择表面

2.2.2 加载方阻的十字分形频率选择表面

2.2.3 方阻材质的十字分形频率选择表面

2.2.4 仿真结果对比与分析

2.3 闵可夫斯基分形的频率选择表面

2.3.1 标准闵可夫斯基分形的频率选择表面

2.3.2 闵可夫斯基准分形的频率选择表面

2.3.3 基于闵可夫斯基准分形的多层频率选择表面

2.3.4 仿真结果对比与分析

2.4 小结

3 多种分形图案复合的频率选择表面的研究

3.1 基于FR4介质的多种分形图案复合的频率选择表面

3.1.1 闵可夫斯基准分形和十字分形复合的多层频率选择表面

3.1.2 铜材质的闵可夫斯基准分形和十字架型分形复合的多层频率选择表面

3.1.3 方阻材质的闵可夫斯基准分形和十字架分形复合的频率选择表面

3.1.4 仿真结果对比与分析

3.2 基于F4B介质的多种分形图案复合的频率选择表面

3.2.1 铜材质的闵可夫斯基准分形和十字架分形复合的频率选择表面

3.2.2方阻材质的闵可夫斯基准分形和Jerusalem十字架分形的频率选择表面

3.2.3 仿真结果对比与分析

3.3 小结

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

致谢

参考文献