頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由相同的諧振單元按二維周期性排列構(gòu)成的單層或多層平面結(jié)構(gòu),它對(duì)具有不同工作頻率、極化狀態(tài)和入射角度的電磁波具有選擇特性,因而在電磁領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來,有大量的FSS科研成果被報(bào)導(dǎo),同時(shí)在工程應(yīng)用方面獲得了迅速發(fā)展。本文著重研究了不同結(jié)構(gòu)頻率選擇表面的吸波特性及對(duì)電磁波極化的調(diào)控作用,包括電磁吸波結(jié)構(gòu)、電磁折射率傳感器和電磁線/圓極化轉(zhuǎn)換器。論文主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包括:1.針對(duì)電子系統(tǒng)對(duì)工作在微波頻段緊湊結(jié)構(gòu)吸波材料的需求,結(jié)合FSS的吸波特性,研究了基于頻率選擇表面的吸波體,設(shè)計(jì)了三款不同類型的吸波體。第一款設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形吸波體,不僅可以完成5.68GHz和11.36GHz的大角度雙頻吸波,通過多個(gè)對(duì)稱枝節(jié)的加載,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)諧振頻率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。第二款設(shè)計(jì)了一個(gè)基于磁性FSS的寬帶吸波體,采用磁性FSS涂層代替普通的銅層,使吸收率和吸收帶寬都有很大的改善,通過將多個(gè)單一磁性單元疊加,實(shí)現(xiàn)4.14GHz到12.74GHz的寬帶吸波特性,該結(jié)構(gòu)同樣具有對(duì)入射波極化方式和入射角不敏感特性。第三款設(shè)計(jì)了多層寬帶吸波體,運(yùn)用電磁波干涉相消原理,對(duì)非磁性FSS結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用合適的匹配層優(yōu)化自由空間和FSS結(jié)構(gòu)的匹配,實(shí)現(xiàn)了3.95GHz到10.4GHz內(nèi)超過90%的吸收特性。論文從阻抗匹配、單元諧振、反射干涉以及損耗機(jī)制等方面分別對(duì)三種吸波體的吸波原理進(jìn)行解釋,并通過樣品測(cè)試對(duì)雙頻吸波體和反射相消寬帶吸波體的性能進(jìn)行驗(yàn)證。2.針對(duì)生物光學(xué)折射率傳感器制備復(fù)雜、成本昂貴且對(duì)介電環(huán)境敏感等問題,結(jié)合FSS加工低廉、易于集成等特性,研究了基于頻率選擇表面的折射率傳感器,設(shè)計(jì)了兩款不同結(jié)構(gòu)的折射率傳感器。第一款設(shè)計(jì)了一個(gè)四臂加載的方環(huán)結(jié)構(gòu),當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率在1.0到5~(1/2)范圍內(nèi)時(shí),傳感器的諧振頻率與待測(cè)物的折射率有良好的線性關(guān)系,對(duì)傳感特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有很高的靈敏度,其品質(zhì)因數(shù)為3.73RIU~(-1)。第二款設(shè)計(jì)了一個(gè)T型加載圓環(huán)結(jié)構(gòu),不僅將測(cè)試范圍擴(kuò)展為1.0到10~(1/2),傳感器的靈敏度也有進(jìn)一步提升,品質(zhì)因數(shù)提高到7.27RIU~(-1)。論文結(jié)合線性擬合的方法得到傳感器的特征方程,可以由諧振頻率準(zhǔn)確計(jì)算出待測(cè)介質(zhì)的折射率,并通過波導(dǎo)法對(duì)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明基于FSS的折射率傳感器具有很高的準(zhǔn)確度。3.針對(duì)線圓極化轉(zhuǎn)換器對(duì)寬頻帶、寬入射角度和低插入損耗的需求,結(jié)合FSS對(duì)不同方向線極化波傳輸特性不同的特性,研究了基于頻率選擇表面的寬帶圓極化器,設(shè)計(jì)了四款不同結(jié)構(gòu)的圓極化器。第一款設(shè)計(jì)了一個(gè)多層直角形FSS結(jié)構(gòu),它具有72.3%的工作帶寬,每個(gè)FSS層有一個(gè)空氣間隔,它代替了部分介質(zhì)層使整個(gè)結(jié)構(gòu)的損耗變低。第二款設(shè)計(jì)了一個(gè)窗型FSS結(jié)構(gòu),它去掉空氣間隔以避免加工和應(yīng)用的限制,采用在金屬方塊上開窗的結(jié)構(gòu),獲得62.38%的軸比帶寬,同時(shí)該結(jié)構(gòu)當(dāng)入射角不超過30°時(shí)仍然可以保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。第三款設(shè)計(jì)了一個(gè)漸變圓形FSS結(jié)構(gòu),每個(gè)金屬層的尺寸按照遞減因子逐層改變,得到66.69%的軸比帶寬,同時(shí)在不含空氣間隔的情況下插入損耗明顯減小。第四款設(shè)計(jì)了一個(gè)多層復(fù)合十字型FSS結(jié)構(gòu),每個(gè)金屬層包含一個(gè)復(fù)合十字型貼片和一個(gè)貫穿整個(gè)單元的金屬條。這種設(shè)計(jì)不僅可以使兩個(gè)正交的線極化波獲得相似的傳輸幅度,同時(shí)使這兩者的傳輸相位接近90°,從而不僅得到了74%的軸比帶寬,而且使工作頻帶內(nèi)的插入損耗小于1dB,當(dāng)入射角度不超過20°時(shí)也能保持寬帶工作特性。論文對(duì)極化轉(zhuǎn)換原因進(jìn)行了詳細(xì)分析,并通過樣品測(cè)試驗(yàn)證了FSS結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)寬帶線-圓極化轉(zhuǎn)換功能。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN713;TP212;O441.4
【部分圖文】：

薄屏 FSS 和厚屏 FSS 相比，兩者周期單元結(jié)構(gòu)形狀相同，金屬屏厚度對(duì) FSS 的頻率響應(yīng)不同[70]。文獻(xiàn)[70]研究表明，厚屏 FSS 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，帶寬性能優(yōu)于薄屏 FSS，中心頻率透過率較高，具有廣泛的潛在隱身用途。厚屏 FSS 由于優(yōu)良的性能，在國(guó)外已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，并得到快速發(fā)展[191-194]，而國(guó)內(nèi)研究尚屬空白，各家單位及高校均以薄屏 FSS 研究為主，這是由于厚屏 FSS 的設(shè)計(jì)中存在很多難題。首先，除了需要考慮薄屏 FSS 的因素外，還需要考慮金屬屏的厚度、填充介質(zhì)等因素造成的影響。其次，填充的介質(zhì)材料于金屬屏間的微小間隙也會(huì)由于熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致不同的結(jié)果。此外，厚屏 FSS 只有保持單元一致性時(shí)才能獲得良好的性能，因此制造較難，只能選用簡(jiǎn)單的單元形狀，因?yàn)楣に囯y度大和金屬屏厚度呈現(xiàn)正線性相關(guān)。最后，金屬屏厚度不宜太大，否則會(huì)影響電磁波的正常傳輸。（a）中心連接單元（b）環(huán)形單元

子吸收并重新輻射某些波長(zhǎng)的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他波長(zhǎng)，因此通過這種濾波器的透射率是頻率的函數(shù)。濾波器的透射特性取決于 FSS 濾波器的金屬結(jié)構(gòu)，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)單元刻蝕到金屬中得到不同性能的濾波器。2.3.2 帶柵結(jié)構(gòu)的濾波特性帶柵結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的 FSS 濾波器結(jié)構(gòu)，其幾何形狀如圖 2 - 5 所示。Capacitive Strip GratingIN OUTCInductive Strip GratingIN OUTLiEiE圖 2 - 5 帶柵結(jié)構(gòu)當(dāng)電場(chǎng)矢量iE垂直于金屬帶時(shí)，電場(chǎng)通過正弦振蕩同時(shí)激勵(lì)金屬中的電子以相同方向振蕩（如圖 2 - 6）。當(dāng)金屬中的電子被電場(chǎng)來回驅(qū)動(dòng)時(shí)，濾波器將在狀態(tài)（a）和（b）之間不斷切換。+ -+ -+ -+ -- +- +- +- +- - - -+ + + +電場(chǎng)方向垂直于金屬帶 電場(chǎng)方向平行于金屬帶

多層FSS單元結(jié)構(gòu)及金屬層幾何示意圖
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