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带通频率选择表面的仿真设计

李顺礼  
【摘要】: 频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)对电磁波具有频率选择和极化选择特性,能够有效的控制电磁波的传输和反射。频率选择表面对电磁波的频率和极化方式呈现出空间滤波器的功能,因而在科学和工程领域具有较大的理论意义和应用价值,越来越受到研究人员的重视,成为学者们的一个研究热点。 频率选择表面的频率特性主要取决于谐振单元的结构形式和组阵方式。谐振单元的结构形式包括形状、尺寸、介质层的厚度和层数以及介质的介电常数等。组阵方式主要有矩形栅格和斜栅格两种。因此,FSS的设计属于多参数优化的问题。为了揭示各个参数对FSS特性(包括谐振频率、传输带宽等)的影响规律,旨在为设计FSS提供依据和规律,本文的主要工作有: 1.FSS单元和介质层尺寸的研究。仿真并得到了十字形单元的孔径长度和谐振波长的关系以及单侧和双侧加载介质层对FSS频率特性影响的规律。金属屏谐振时,孔径的尺寸大约为λ0/2。当介质层厚度比较小时(λ/4),两种加载方式都是随着加载介质层厚度的增加谐振频率逐渐降低。对于单侧加载,随着加载厚度的变化,该曲线围绕f/(?)上下波动并近似的呈现周期性,周期约为λ/2。对于双侧加载,随着加载厚度的变化,该曲线围绕f/(?)上下波动也近似的呈现周期性,周期也为λ/2。 2.极化不敏感单元的设计。研究了偶极子形孔径单元对TE波和TM极化入射波频率特性的区别,提出了修正谐振孔径或振子尺寸设计极化不敏感FSS单元的方法,所设计的FSS对不同极化的入射波具有稳定的传输特性。针对传统Y形单元,给出了缩短TM波谐振孔径尺寸和两种延长TE波谐振孔径尺寸的设计方法,设计了三种对极化不敏感的Y形单元,对比了不同入射角度下三种改进方法相对传统设计方法的优点,仿真结果表明修正单元的TE波和TM波谐振频率差值的平均值比传统单元减小70%。 3.针对不同入射角度具有稳定特性的FSS的设计方法。仿真了十字形单元和介质层在不同入射角度下谐振频率的变化曲线。由于随着入射角度的增大,介质层的谐振频率是升高的,为了设计对不同入射角度的入射波具有稳定传输特性的FSS,所设计FSS金属屏应当随着入射角度的增加谐振频率是降低的。设计FSS单元时要选择合适的形状和尺寸以满足上述规律,对于设计入射角稳定的FSS是很重要的,也是设计高性能的FSS滤波器需要注意的一点。 4.设计了夹层结构的FSS,该夹层结构的FSS在大入射角度范围(0°-75°)下对任意极化入射波都具有良好传输特性,并且具有较大的工作带宽(1.4GHz)。提出了采用准互补单元设计FSS的设计方法并依此改进了夹层结构FSS中的传输异常现象。 5.采用本文提出的延长TE波谐振孔径尺寸的Y形单元设计了双频带的FSS,对于不同极化的入射波具有相同的谐振频率和工作频带。在两个工作频带内,对于入射角0°-60°范围中,双频带FSS对任意极化的入射波都具有良好的传输效果。 本文的主要创新点是: 1.提出了修正谐振孔径或振子尺寸实现极化不敏感FSS单元的设计方法,可以设计对不同极化的入射波具有稳定传输特性的FSS。采用所提出的方法设计了三种对极化不敏感的Y形单元,仿真结果表明修正的Y形单元的TE波和TM波谐振频率差值的平均值比传统单元减小70%,证明该设计思路是可行的。 2.提出了采用准互补单元设计多层FSS的设计思路,给出了采用该方法设计的准互补结构的频率选择表面。当入射角度在0°-60°范围内时,对于TE波和TM波,该设计在工作通带内都有良好的传输系数。 3.设计了双频带的频率选择表面,该设计对于任意极化的入射波的工作带宽分别为1.5GHz和0.4GHz。当入射角度在0°-60°范围内时,对于TE和TM波,该设计在两个通带内都有良好的传输系数。 4.指出了在设计对不同入射角的入射波具有稳定传输特性的FSS时,应当设计随着入射角度的增加谐振频率降低的FSS金属屏,这对于设计入射角稳定的FSS是很重要的。


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