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频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)做为一类广义超材料,可以应用在吸波器的设计上,以打破了传统吸波器(如Salisbury屏和Jaumann吸波体)对于厚度的限制,实现了具有“轻、薄、宽、强”的优势。由于传统的吸波材料很难同时满足工作频带内的透波和工作频段外吸波的要求, 因此根据FSS的滤波特性可以将FSS与吸波器进行结合,提出了新型的吸/透波频率选择表面结构,并通过加载有源器件实现功能的切换。该结构能够实现吸/透功能的可调,可应对复杂电磁环境的干扰,在电子对抗、电磁屏蔽、以及隐身技术等领域,具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文从简单的宽带吸波器开始,深入学习宽带吸波器基本理论,首先设计在吸波频段内具有透波功能的FSS,并在吸/透波FSS的基础上,设计可调控的吸波天线罩。并采用等效电路法对各个设计的结构进行分析,且均制作实物,并将实验测试结果与仿真实验结果进行对比,确定了研究的先进性。
具体的研究工作和创新点如下:
1) 深入研究FSS基础理论,实现宽带FSS吸波器的设计
使用电磁仿真软件CST设计了宽带FSS吸波器,该结构有两层:一层为损耗层,通过加载电阻与频选的自身谐振产生损耗,扩宽带宽,另一层为金属底板。并对仿真结果进行参数分析,获得吸波器设计的一般规律,使用等效电路法验证其正确性,并为后续的结构设计积累经验。
2) 完成吸/透波FSS结构的设计,解决带内透波难题
设计了两层结构的FSS,损耗层靠加载电阻实现电磁损耗,并为了实现透波特性在该层加载并联的电容电感作为 LC 谐振器。传输层为方环缝隙 FSS,其传输频点与损耗层的传输频点相同,两层结构共同作用,使整体形成了透波窗口。最终实现了在5.5GHz传输,在 3.3GHz-14.3GHz 处有 90%的吸波率。该结构的透波频段在吸波频段内,解决了带内透波的挑战难题,且吸波的频段较宽。最后进行实物制作,在微波暗室得到反射系数与传输系数,测试结果与仿真结果较为一致,验证了吸/透波FSS设计的正确性。
3) 完成多功能的吸/透波FSS设计,实现可控吸/透波功能
仿真设计了两种多功能吸/透波FSS,(1) 可控吸透波FSS结构实现了状态可控,最终实现了两种状态的切换,一种状态为在 5.3GHz-18.1GHz 频段全吸波;另一种状态为透波频点在8GHz,吸波频段分别为4.4GHz-6GHz与9GHz-18.9GHz吸波。提出了可以实现了双层可控的吸/透波FSS功能设计方案。采用有源器件,使得该结构可以灵活切换在全频段吸波、工作频段透波而其他频段吸波。另外在设计过程中且合理使用了偏置电路,减小了其对吸透波功能的影响。(2) 透波频段可调的吸透波FSS结构,透波频段可以在5.4GHz-6.8GHz调节,吸波频段在4.4GHz-14GHz有90%的吸波率。该结构的设计拓宽了透波频段的带宽。
4) 利用等效电路模型优化设计,提高结构设计速度
对不同吸/透波FSS结构建立相应的等效电路模型,可分析求得相应的电路元件参数。由等效电路模型计算相应的散射参数,在对应的工作频率和频段上,由等效电路模型优化电磁仿真模型,有效地提高结构设计的速度。
本文从简单的宽带吸波器开始,深入学习宽带吸波器基本理论,首先设计在吸波频段内具有透波功能的FSS,并在吸/透波FSS的基础上,设计可调控的吸波天线罩。并采用等效电路法对各个设计的结构进行分析,且均制作实物,并将实验测试结果与仿真实验结果进行对比,确定了研究的先进性。
具体的研究工作和创新点如下:
1) 深入研究FSS基础理论,实现宽带FSS吸波器的设计
使用电磁仿真软件CST设计了宽带FSS吸波器,该结构有两层:一层为损耗层,通过加载电阻与频选的自身谐振产生损耗,扩宽带宽,另一层为金属底板。并对仿真结果进行参数分析,获得吸波器设计的一般规律,使用等效电路法验证其正确性,并为后续的结构设计积累经验。
2) 完成吸/透波FSS结构的设计,解决带内透波难题
设计了两层结构的FSS,损耗层靠加载电阻实现电磁损耗,并为了实现透波特性在该层加载并联的电容电感作为 LC 谐振器。传输层为方环缝隙 FSS,其传输频点与损耗层的传输频点相同,两层结构共同作用,使整体形成了透波窗口。最终实现了在5.5GHz传输,在 3.3GHz-14.3GHz 处有 90%的吸波率。该结构的透波频段在吸波频段内,解决了带内透波的挑战难题,且吸波的频段较宽。最后进行实物制作,在微波暗室得到反射系数与传输系数,测试结果与仿真结果较为一致,验证了吸/透波FSS设计的正确性。
3) 完成多功能的吸/透波FSS设计,实现可控吸/透波功能
仿真设计了两种多功能吸/透波FSS,(1) 可控吸透波FSS结构实现了状态可控,最终实现了两种状态的切换,一种状态为在 5.3GHz-18.1GHz 频段全吸波;另一种状态为透波频点在8GHz,吸波频段分别为4.4GHz-6GHz与9GHz-18.9GHz吸波。提出了可以实现了双层可控的吸/透波FSS功能设计方案。采用有源器件,使得该结构可以灵活切换在全频段吸波、工作频段透波而其他频段吸波。另外在设计过程中且合理使用了偏置电路,减小了其对吸透波功能的影响。(2) 透波频段可调的吸透波FSS结构,透波频段可以在5.4GHz-6.8GHz调节,吸波频段在4.4GHz-14GHz有90%的吸波率。该结构的设计拓宽了透波频段的带宽。
4) 利用等效电路模型优化设计,提高结构设计速度
对不同吸/透波FSS结构建立相应的等效电路模型,可分析求得相应的电路元件参数。由等效电路模型计算相应的散射参数,在对应的工作频率和频段上,由等效电路模型优化电磁仿真模型,有效地提高结构设计的速度。