發(fā)布時間：2020-11-09 17:32

　　 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科研成果被報導(dǎo),同時在工程應(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。論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點包括:1.針對電子系統(tǒng)對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)計了三款不同類型的吸波體。第一款設(shè)計了一個環(huán)形吸波體,不僅可以完成5.68GHz和11.36GHz的大角度雙頻吸波,通過多個對稱枝節(jié)的加載,實現(xiàn)了兩個諧振頻率的獨立調(diào)節(jié)。第二款設(shè)計了一個基于磁性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,通過將多個單一磁性單元疊加,實現(xiàn)4.14GHz到12.74GHz的寬帶吸波特性,該結(jié)構(gòu)同樣具有對入射波極化方式和入射角不敏感特性。第三款設(shè)計了多層寬帶吸波體,運用電磁波干涉相消原理,對非磁性FSS結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,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制等方面分別對三種吸波體的吸波原理進行解釋,并通過樣品測試對雙頻吸波體和反射相消寬帶吸波體的性能進行驗證。2.針對生物光學(xué)折射率傳感器制備復(fù)雜、成本昂貴且對介電環(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)計了兩款不同結(jié)構(gòu)的折射率傳感器。第一款設(shè)計了一個四臂加載的方環(huán)結(jié)構(gòu),當待測介質(zhì)折射率在1.0到5~(1/2)范圍內(nèi)時,傳感器的諧振頻率與待測物的折射率有良好的線性關(guān)系,對傳感特性進行分析發(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)計了一個T型加載圓環(huán)結(jié)構(gòu),不僅將測試范圍擴展為1.0到10~(1/2),傳感器的靈敏度也有進一步提升,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,可以由諧振頻率準確計算出待測介質(zhì)的折射率,并通過波導(dǎo)法對傳感器進行驗證,結(jié)果表明基于FSS的折射率傳感器具有很高的準確度。3.針對線圓極化轉(zhuǎn)換器對寬頻帶、寬入射角度和低插入損耗的需求,結(jié)合FSS對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)計了四款不同結(jié)構(gòu)的圓極化器。第一款設(shè)計了一個多層直角形FSS結(jié)構(gòu),它具有72.3%的工作帶寬,每個FSS層有一個空氣間隔,它代替了部分介質(zhì)層使整個結(jié)構(gòu)的損耗變低。第二款設(shè)計了一個窗型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,同時該結(jié)構(gòu)當入射角不超過30°時仍然可以保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。第三款設(shè)計了一個漸變圓形FSS結(jié)構(gòu),每個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)計了一個多層復(fù)合十字型FSS結(jié)構(gòu),每個金屬層包含一個復(fù)合十字型貼片和一個貫穿整個單元的金屬條。這種設(shè)計不僅可以使兩個正交的線極化波獲得相似的傳輸幅度,同時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,當入射角度不超過20°時也能保持寬帶工作特性。論文對極化轉(zhuǎn)換原因進行了詳細分析,并通過樣品測試驗證了FSS結(jié)構(gòu)可以實現(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 FSS 的頻率響應(yīng)不同[70]。文獻[70]研究表明，厚屏 FSS 結(jié)構(gòu)相對簡單，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，在國外已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，并得到快速發(fā)展[191-194]，而國內(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才能獲得良好的性能，因此制造較難，只能選用簡單的單元形狀，因為工藝難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的效率要遠遠高于其他波長，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)當電場矢量iE垂直于金屬帶時，電場通過正弦振蕩同時激勵金屬中的電子以相同方向振蕩（如圖 2 - 6）。當金屬中的電子被電場來回驅(qū)動時，濾波器將在狀態(tài)（a）和（b）之間不斷切換。+ -+ -+ -+ -- +- +- +- +- - - -+ + + +電場方向垂直于金屬帶 電場方向平行于金屬帶

多層FSS單元結(jié)構(gòu)及金屬層幾何示意圖
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本文編號：2876755