采用矩量法分析频率选择表面的电磁散射特性

【摘要】： 频率选择表面(FSS)是二维周期性阵列结构,通常由大量无源的导体贴片单元(带阻型)或导体屏周期性孔径单元(带通型)组成。其特性是可以有效地控制电磁波的反射和传输。当入射波频率在贴片或孔径的谐振频率上时,FSS表现出全反射或全透射特性。 由于FSS的直接设计有很大的难度,所以对其特定结构的分析格外重要,本文主要分析了正方形单元、圆形单元、圆环单元、十字单元、方形环单元、耶路撒冷十字单元,另外还研究了一种方形环嵌套单元,在理论上将这种单元与方形环单元进行复合,组合成复合单元。计算了它们随着入射波入射角度的变化,电磁散射特性的变化情况。 FSS的分析方法有很多,如有限元(FEM),时域有限差分(FDTD),矩量法(MoM)等,本文采用基于Roof-top基函数的矩量法分析周期性频率选择结构的散射特性,首先引入Floquet定理将FSS无穷单元的计算缩减至单一周期,再利用格林函数建立算子方程,最后用矩量法求解表面感应电流以及反射系数。对频率选择表面作理论分析时,将其模拟为无限大且厚度为零的理想导体。入射电磁波可假设为均匀平面波,并可将其分解成传输方向为TE与TM的偏振波。为了计算任意单元的FSS,利用子域基函数中的屋顶基函数展开未知表面感应电流。当未知系数众多时,利用快速傅里叶变换结合共轭梯度法求解未知系数,以提高计算效率。 通过比较发现,计算出的部分结果与相关文献中的结果符合的很好。当入射角改变时,环形单元的反射特性相对比较稳定,可以作为常用单元使用。通过与单一单元贴片对比发现,本文所研究的复合单元不但可以继承它们的优点,同时可以明显增加谐振频率的带宽。具有很好的实际应用价值。