頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一種對空間電磁波產(chǎn)生頻率選擇效應(yīng)的周期結(jié)構(gòu),它被廣泛應(yīng)用于混合雷達(dá)罩、反射面天線、無線安全屏蔽、人工磁導(dǎo)體等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的高速發(fā)展對FSS的性能不斷提出新的要求,例如:小型化、帶寬可調(diào)、極化獨(dú)立可控、高階濾波、超寬帶、低剖面、頻帶數(shù)量和比率可控的多頻特性等。然而,現(xiàn)有的FSS結(jié)構(gòu)通常只能實現(xiàn)其中一種或兩種特性,并存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計耗時等問題。針對這些問題,本文探討了FSS高性能的實現(xiàn)途徑,提出了兼具多種高性能和易于等效電路構(gòu)建的FSS新結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了它們基于等效電路的高效設(shè)計,并對單層縫隙型FSS開展了部分元等效電路建模研究,提出了其通用等效電路建模方法。本論文的主要創(chuàng)新性工作可以概括如下:1.彎折型小型化FSS研究:提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、小型化特性突出和頻響特性穩(wěn)定的新型彎折單元,該彎折單元通過對偶極子進(jìn)行彎折與交織同時提高了電感和電容效應(yīng),從而單元周期可以小至0.048λ0(λ0是自由空間的諧振波長)。利用該彎折偶極子單元的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了雙頻小型化FSS設(shè)計,其單元周期為0.046λ0。針對單層彎折單元存在的小型化性能受限的問題,本文進(jìn)一步提出了基于多層彎折結(jié)構(gòu)的超小型化帶通和帶阻FSS設(shè)計方法。其中,帶通FSS通過對彎折縫隙偶極子單元加載多層彎折縫隙柵格單元大幅增大FSS的等效電容,從而實現(xiàn)了0.019λλ0的超小型化特性。帶阻FSS則由多層彎折偶極子單元構(gòu)成并且通過金屬通孔實現(xiàn)各層單元的串聯(lián),該結(jié)構(gòu)同時增大了FSS的等效電感與電容,從而實現(xiàn)了0.016λ0的超小型化特性。對于這些小型化的單頻和雙頻FSS,分別建立了它們各自的等效電路模型,并且推導(dǎo)了提取等效電路參數(shù)的閉合公式。因此,這些等效電路不僅可用于解釋FSS的諧振機(jī)理和準(zhǔn)確模擬FSS的頻響特性,還可以代替全波仿真軟件實現(xiàn)FSS的快速優(yōu)化設(shè)計。2.基于幾何可分離電感和電容的FSS設(shè)計與研究:傳統(tǒng)FSS結(jié)構(gòu)具有分布參數(shù)特性,其頻響特性是由單元形狀和物理參數(shù)共同決定。這類FSS結(jié)構(gòu)存在難以實現(xiàn)高性能和物理參數(shù)優(yōu)化耗時的問題。針對這些問題,提出了一種基于幾何可分離彎折線電感器(Meander Line Inductor,MLI)和平板電容器(Parallel Plate Capacitor,PPC)的新型FSS結(jié)構(gòu)。該FSS結(jié)構(gòu)的單元可以根據(jù)電路理論進(jìn)行構(gòu)建以實現(xiàn)需要的頻響特性,其等效電感和電容可以通過MLI和PPC進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。因此,該結(jié)構(gòu)可以靈活地用于各種高性能FSS的設(shè)計。例如:①帶寬可調(diào)、極化獨(dú)立可控的單頻帶通、帶阻和帶通帶阻混合型FSS;②頻帶比率范圍分別達(dá)到1.35～3.8和1.31～4.22雙頻帶通和帶阻FSS;③厚度僅為λ0/11的低剖面三階帶通FSS和帶寬達(dá)到121%的超寬帶三階帶通FSS。對于這些高性能FSS,由于其單元內(nèi)的MLI和PPC分別具有準(zhǔn)集總的電感和電容特性,它們的單元周期都小于0.1λ0,有的甚至達(dá)到了0.035λ0,因此它們的頻響特性對入射波的極化和入射角度不敏感。此外,由于這些FSS本身具有近似電路性質(zhì)的單元結(jié)構(gòu),可以很容易建立它們的等效電路模型以及電路參數(shù)提取公式,這些等效電路和閉合公式可以用于解釋FSS的諧振機(jī)理、計算FSS頻響特性和實現(xiàn)FSS的高效設(shè)計。3.基于并聯(lián)LC諧振器的多頻FSS設(shè)計與研究:針對傳統(tǒng)多頻FSS存在的頻帶個數(shù)受限、容易產(chǎn)生寄生諧振、設(shè)計困難等問題,提出一種基于并聯(lián)LC諧振器的多頻FSS結(jié)構(gòu)。并聯(lián)LC諧振器是由分別產(chǎn)生電容和電感效應(yīng)的PPC與通孔連接的金屬帶狀線(Via-Connected Metallic Line,VCML)構(gòu)成。該FSS結(jié)構(gòu)通過在單元中引入2N個并聯(lián)LC諧振器以分別實現(xiàn)TE和TM極化情況下N頻帶通濾波特性,其各個頻帶的中心頻率與帶寬可通過對應(yīng)諧振器進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。基于該結(jié)構(gòu),本文給出了1～5頻帶通FSS的設(shè)計實例。此外,在這些多頻帶通FSS單元中額外引入一組串聯(lián)的PPC可以實現(xiàn)相應(yīng)多頻帶的帶阻FSS設(shè)計。對于這些多頻帶通和帶阻FSS,由于其單元中的PPC具有準(zhǔn)集總的電容特性,它們都具有小型化特性,因此在頻帶個數(shù)增多以及頻帶比率變大時不會出現(xiàn)柵瓣和寄生諧振,并且在不同極化和入射角度下都具有穩(wěn)定的濾波特性。對這些多頻FSS進(jìn)行了等效電路分析,它們的電路模型不僅可以解釋FSS諧振機(jī)理和計算FSS頻響特性,還可以指導(dǎo)多頻FSS單元的構(gòu)建。4.單層縫隙型FSS的磁流PEEC建模研究:針對單層縫隙型FSS存在的構(gòu)建準(zhǔn)確等效電路和推導(dǎo)電路參數(shù)閉合公式困難的問題,提出了周期結(jié)構(gòu)的磁流部分元等效電路(Partial Element Equivalent Circuit,PEEC)建模方法,該方法普遍適用于各種縫隙型FSS的全波等效電路建模。相比于傳統(tǒng)的電流PEEC方法,磁流PEEC方法只需要對FSS單個單元的縫隙部分進(jìn)行一維網(wǎng)格剖分并建立相應(yīng)的部分元電路,因此電路元件個數(shù)以及電路復(fù)雜度大大降低,從而便于實現(xiàn)FSS的高效設(shè)計。為了驗證該方法的有效性,分別對方形縫隙環(huán)、十字縫隙、和Y型縫隙FSS進(jìn)行了磁流PEEC建模,并且利用電路模型對FSS的頻響特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示,這種全波等效電路模型可以在0～20 GHz的超寬頻帶內(nèi)準(zhǔn)確計算FSS在不同極化和入射角度下的頻響特性。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN957.2
【部分圖文】：

ＦＳＳ被廣泛應(yīng)用于混合雷達(dá)罩、反射面天線、無線安全屏蔽、吸波體、人工磁導(dǎo)逡逑體等領(lǐng)域［｜＿３］。逡逑圖１．１是一種基于帶通ＦＳＳ的混合雷達(dá)罩的原理示意圖⑴，ＦＳＳ的通帶與天線陣列逡逑工作頻帶相同，這種雷達(dá)罩主要用在戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)頭位置以減小其天線系統(tǒng)的雷達(dá)散射截逡逑面（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ，ＲＣＳ）。在ＦＳＳ的通帶范圍外，電磁波在雷達(dá)罩上產(chǎn)生鏡面反逡逑射，雷達(dá)罩的特殊外形形狀使得后向散射電磁波非常微弱，從而有效降低了天線的ＲＣＳ。逡逑而在ＦＳＳ通帶范圍內(nèi)，天線陣列的輻射波可以無耗地通過雷達(dá)罩，保證戰(zhàn)斗機(jī)的正常通逡逑訊。逡逑＾邐強(qiáng)反射逡逑、邐ｓ邋／逡逑后向散射／／喊有低ＲＣＳ逡逑帶通邋ＦＳＳ逡逑圖１．１基于帶通ＦＳＳ的混合雷達(dá)罩原理示意圖逡逑圖１．１所示的混合雷達(dá)罩對不同角度入射的電磁波，其帶通ＦＳＳ的諧振頻率會偏移，逡逑造成通信質(zhì)量變差。這主要是因為傳統(tǒng)ＦＳＳ單元尺寸過大，其中環(huán)形單元的周長約等于逡逑諧振波長，中心連接型單元的極子長度則約等于半波長。同時，實際的雷達(dá)罩通常是具逡逑有一定弧度的曲面結(jié)構(gòu)而非圖１．１所示的平面結(jié)構(gòu)

多層級聯(lián)、有限周期結(jié)構(gòu)的ＦＳＳ的有效分析Ｐ１５ｌ；邋Ｃ．Ｃ．邋Ｃｈｅｎ教授提出式匹配分析方法［１６－１８］；英國肯特大學(xué)的Ｅ．邋Ａ．邋Ｐａｒｋｅｒ和Ｊ．邋Ｃ．邋Ｖａｒｄａｘｏｇｌ用等效電路法對一些基本單元結(jié)構(gòu)的ＦＳＳ進(jìn)行了有效分析，得到其等究了各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對ＦＳＳ傳輸特性的影響［１（）２－１Ｇ７］。此外，國內(nèi)也有多全面研究［｜９，２３１這些理論與技術(shù)的研究為ＦＳＳ的應(yīng)用和發(fā)展奠定了來，為了不斷適應(yīng)日益發(fā)展的無線通信和雷達(dá)探測技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者ＦＳＳ結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)更好的頻率選擇特性。并且，等效電路法作為一種簡確的分析方法也受到學(xué)者們的關(guān)注與研究。本節(jié)將針對這兩方面對國究現(xiàn)狀進(jìn)行概述。逡逑的結(jié)構(gòu)研宄逡逑宄初期，學(xué)者們通過不斷嘗試提出了多種基本的ＦＳＳ單元結(jié)構(gòu)如圖１．３以分為中心連接型、環(huán)型和實心型［｜］，基于這些單元的貼片型和縫隙頻帶阻和帶通特性，它們的單元尺寸通常與諧振波長相比擬。近年、加載、分形等一些技術(shù)對這些基本單元進(jìn)行變形和組合，以實現(xiàn)等特性。逡逑

良好的小型化特性。在這些彎折型的ＦＳＳ中，彎折方式是影響小型化特性的重要因素。逡逑例如，圖丨．４邋（ａ）和（ｂ）分別采用兩種不同的方式對十字單元進(jìn)行彎折，它們的單元尺逡逑寸分別為Ｏ．ｌＯＡｏ和０．０６丨／１0邋（；１0是自由空間的諧振波長），這表明圖１．４邋（ｂ）所示彎折逡逑方式可以實現(xiàn)更好的小型化特性。這些彎折型ＦＳＳ主要是通過彎折金屬線增大了單元的逡逑電感效應(yīng)，從而在固定單元尺寸的情況下諧振頻率降低，但是這些ＦＳＳ的帶寬也會相應(yīng)逡逑減小。逡逑（ａ）文獻(xiàn)［２５］邐（ｂ）文獻(xiàn)［３０］邐（ｃ）文獻(xiàn)［３１】逡逑圖１．４文獻(xiàn)中已提出的基于十字結(jié)構(gòu)的彎折單元結(jié)構(gòu)圖逡逑２００６年，英國學(xué)者Ｊ．Ｃ．邋Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ首次提出了寬帶的小型化ＦＳＳ如圖１．４邋（ｃ）所示逡逑相比于圖１．４（ａ）所示彎折結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅對十字單元四個方向的極子進(jìn)行彎折，逡逑還將其與相鄰單元的極子進(jìn)行交織，這種特殊設(shè)計增大了單元的電容效應(yīng)，因此在實現(xiàn)逡逑小型化的同時還將ＦＳＳ的相對帶寬增加至６０％。近些年來，這種彎折交織技術(shù)也被應(yīng)川逡逑于其它一些傳統(tǒng)ＦＳＳ單元，比如：耶路撒冷十字＾功、方形環(huán)［３４］、六邊形環(huán)［３５］等。此逡逑夕卜，還有？些學(xué)者對具有雙頻特性的彎折型ＦＳＳ進(jìn)行了深入研宄，提出希爾伯特型［３６，３火逡逑雙彎折圓環(huán)［３８１、彎折錨形環(huán)等一些雙頻小型化ＦＳＳｌ４（Ｍ１ｌ。逡逑需要說明的是

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本文編號：2812425