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电可调频率选择表面实现波束扫描技术研究

杨宏宝  
【摘要】:频率选择表面(FSS,Frequency Selective Surface)通常是由一些按照一定方式排列的金属表面缝隙或者介质表面金属贴片组成的周期性结构。对于极化、频率或是入射角度不同的电磁波FSS可以选择性的进行反射或者透射,其作用效果在本质上相当于空间中的滤波器。加载PIN管或是变容管等有源电子元器件的频率选择表面称为有源FSS,其谐振特性可以通过调节所加载器件的偏置电压和电流来改变。频率选择表面目前已被广泛应用在空间滤波器、反射面、极化转换和雷达散射截面减缩等方面,同时也被越来越多的应用在其它各个领域中。由于其特定的性能,在可重构天线中也被使用。方向图可重构主要是通过改变天线表面电流分布来实现波束可调。方向图可重构天线具有可应用在复杂电磁环境中、能够机动防止电磁干扰、提高系统可靠性、节省输入能量等优点。本文首先简要介绍FSS的基础理论及其相关应用,设计了一款2.4GHz基于电可调频率选择表面的方向图可重构天线,同时设计了一款Ka波段基于频率选择表面的方向图可重构透射阵天线,并对其进行改良。本文的具体研究内容如下:1.首先,本文设计了一款2.4GHz基于FSS的方向图可重构天线。该天线由基于FSS单元的方向图可重构结构和一个微带贴片天线组成。微带贴片天线作为馈源,采用侧馈方式,最大增益为7.8dB,主波束方向为0°。基于频率选择表面的方向图可重构结构由一个4×4的FSS单元组成,利用频率选择表面在空间的滤波特性以及PIN二极管正向导通和反向截止的特性,实现天线方向图在上半空间内的波束扫描。具体表现为,当切换二极管的工作状态时,可以实现天线方向图在半空间内三种状态的改变,波束的偏转角度分别为0°、-35°和+35°,最大增益分别为8.9dB、8.4dB和8.3dB。为了验证天线性能,我们对其进行加工与测试,结果表明实测与仿真基本一致,满足设计要求。2.其次,本文设计了一款Ka波段基于FSS的方向图可重构微带透射阵天线。该天线单元结构由三层金属印刷在两个相同的电介质基板上构成。三层金属分别定义为接收层、接地层、发射层;两层介质板间使用其他介质进行粘合。接收层与发射层之间通过金属通孔连接。接收层结构是通过在金属圆片上蚀刻出一个字母“N”得到的,发射层结构与接收层结构相同。当接收层与发射层蚀刻的部分同向时,电磁波在频率30.2GHz-33.2GHz间表现出良好的透波特性;当接收层与发射层蚀刻部分反向时,电磁波在频率30GHz-34GHz之间表现出良好的透波特性,而且两种透射情况下相位之差接近180°。通过对单元结构的排列组合,分别设计了三种11×11=121的阵列。正文中详细介绍了阵列的结构组成以及阵列对于天线方向图的影响。馈源使用Ka波段标准喇叭,电磁波辐射方向为垂直入射。通过CST电磁仿真软件进行仿真,结果表明微带透射阵列能够实现天线方向图的可重构。3.最后,在微带透射阵的基础上,替换介质基板材料,改良单元接收层和发射层的结构,通过在金属圆片的“N”形蚀刻的四个角填补正方形金属贴片,设计得到一款Ka波段的基于频率选择表面的微带透射阵,接着将发射层金属贴片旋转180°,得到两种状态的单元结构。两种状态下的单元结构透射系数相位之差为180°,在此基础上,采用标准喇叭和对踵Vivaldi作为馈源,组成11×11=121的阵列,得到三种不同的排列组合,在HFSS和CST中联合仿真,结果表明频率选择表面很好的实现了波束可重构的功能。


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