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1、fiiil1 密 级 i 保密期限， 硕士学位论文 基于十字及方环单元结构的频率选择表面的研究与设计 Research and Design of Frequency Selective Surface based * * on Cross and Square Ring Structure 学 号 姓 名 学 位 类 别 学 科 专 业 C工 程 领 域 指导教师 . 完 成 时 间 答 辩 委 员 会 主 席 签 名 P14301117 赵辉 工程硕士 电子与通信工程 陈明生教授 2017年 .3月 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研
2、究成杲。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成杲，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 : 签字日期： 7 年 I 月日 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授杈安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本
3、授权书 ） 学位论文版权使用授权书 万方数据 摘要 lllif 频率选择表面 (Frequency selective surface ,FSS)是一种可以对电磁波进行频 率选择的空间滤波器，对电磁波的传输和反射具有十分有效的控制性。 FSS通常 是由特定的单元构成周期性结构，根据滤波特性可以分为高通、带通、低通、带 阻四中类型，其在电磁隐身、电子对抗、通信和电磁兼容等领域有着极为广泛的 应用。 在实际工程应用中， FSS的介质材料、单元结构、尺寸以及排列方式等对它 的频率特性具有决定性的作用。 FSS整体结构的小型化以及角度稳定性、极化稳 定性等因素都至关重要。本文围绕上述三个方面，通过仿真
4、设计和实物加工测试， 对频率选择表面的设计和优化开展了系列工作，主要有： 首先，介绍了频率 选择表面的研宄背景、发展史以及其在工程中的应用，对 频率选择表面的相关理论和分析方法进行了讨论。 其次，在传统的十字结构单元的基础上，设计并制作了一种新型的 FSS结 构单元。仿真和测试结果表明，新型十字结构单元 FSS比传统十字结构单元 FSS 具有更好的角度稳定性和极化稳定性。 最后，基于方环形结构单元，设计并制作出一种双屏双通带的频率选择表面。 并对该频率选择表面的角度稳定性和极化稳定性进行了分析；分析结果表明该设 计方案有利于阵列单元尺寸小型化。之后对该设计进行了加工和测试，该设计在 电磁场工程
5、中具有一定的应用价值。 关键字 ：空间滤波器；单屏的带阻型频率选择表面；双屏的带通型频率选择 表面；角度稳定性；极化稳定性 万方数据 Abstract Frequency selective surface (FSS) is a spatial filter that can select the frequency of electromagnetic wave so that it can effectively control the transmission and reflection characteristics of electromagnetic wave. FSS is u
6、sually a periodic structure composed of particular elements, and it can be divided into high pass, band-pass, low-pass, band stop four types based on the filtering properties. As so far, FSS has been widely used in the fields of electromagnetic stealth, electronic countermeasure, communication and e
7、lectromagnetic compatibility. In practical engineering application, factors such as material of the substrate, element structure, unit size and space among units and arrangement mode of FSS, etc., have important influence on its transmission characteristics. Generally, miniaturization design, angle
8、stability and polarization stability are fundamental to FSS. Based on the three rnentioned aspects, this thesis will focus on the design and optimization of FSS by simulation design and manufacture test. The main work can be summarized as: Firstly, the research background of FSS, development history
9、 and its application in engineering are introduced. The theory and analysis method for FSS are also discussed. Secondly, a novel single screen FSS is designed and manufactured based on the traditional cross structure unit. Simulation and practical test results have shown that the angle stability and
10、 polarization stability of the new proposed FSS is better than that of the the conventional cross structure unit* Finally, based on the square ring element, a dual band-pass FSS with double screens are designed and manufactured. The angular stability and polarization stability of the FSS are also an
11、alyzed; The analysis results show that the design is beneficial to the miniaturization of array cell size. After that, the design was processed and tested,The design will have some application value in the field of electromagnetic engineering. n 万方数据 Keywords: spatial filter; single screen frequency
12、 selective surface with stopband; dual screen frequency selective surface with bandpass; angle stability; polarization stability 冚 万方数据 目录 m-M m . i i.i频率选择表面概述 . 1 1.2频率选择表面的研宄进展 . 2 1.3频率选择表面的应用和研究意义 . 3 1.4频率选择表面的相关研究理论介绍 . 6 1.5本文的结构与内容安排 . 6 第二章频率选择表面的基本理论 . 8 2.1频率选择表面的基本特性 . 8 2.1.1频率选择表面工作机理
13、的物理解释 . 8 2.1.2频率选择表面的特性参数及其影响因素 . 11 2.1.3栅瓣现象 . 11 2.2基础电磁学概述 . 14 2.2.1麦克斯韦方程组 . 14 2.2.2波动方程和边界条件 . 16 2.3频率选择表面的电磁特性方程 . 19 2.4频率选择表面的基函数 . 22 2.5频率选择表面的反射系数和透射系数 . 25 第三章频率选择表面的滤波原理分析 . 27 3.1利用 Floquet定理分析频率选择表面的滤波原理 . 27 3.1.1频率选择表面散射场的 Floquet模的展开 . 27 3.1.2散射波中的传播波和凋落波 . 32 3.1.3传播波中的主模传播波
14、和栅瓣传播波 . 33 3.1.4频率选择表面稳定滤波的条件 . 34 3.2基于单元谐振模式研宄频率选择表面的滤波特性 . 38 3.3等效电路分析方法 . 40 3.3.1周期排列的金属栅条的等效电路模型 . 41 3.3.2建立等效电路模型及定性分析滤波特性 . 42 V 万方数据 3.3.3等效电路的参数提取 . 46 第四章一种新型十字单元结构的频率选择表面的设计 . 48 4.1频率选择表面的设计流程 . 48 4.2理论分析及结构尺寸 . 49 4.2.1理论分析 . 49 4.2.2结构尺寸 . 50 4.3仿真分析与结果比较 . 51 4.3.1不同入射角度对 FSS的中心频
15、率的影响 . 52 4.3.2不同极化方式对 FSS的中心频率的影响 . 54 4.4实物加工与测试 . 55 4,5本章总结 . 56 第五章一种新型双层频率选择表面传输特性的研 宄 . 57 5.1频率选择表面阵列单元结构设计 . 57 5.2理论分析 . 58 5.3频率选择表面的传输特性分析 . 58 5.3.1频率选择表面的小型化分析 . 58 5.3.2频率选择表面的角度稳定性分析 . 60 5.3.3频率选择表面的极化稳定性分析 . 62 5.4实物制造和实验测试 . 63 5.5本章总结 . 64 第六章结束语 . 66 参考文献 . 67 iSCilt .71 硕士期间的科研
16、成果 . 72 VI 万方数据 第一章绪论 第一章绪论 1.1频率选择表面概述 频率选择表面 (Frequency Selective Surface， FSS)是一种由大量无源谐振单元 在介质层上按照二维周期性排列构成的单层或多层的平面结构，是一种微波器件 2】。频率选择表面通常可以分为两大类，贝占片型 (图卜 1(a)和孔径型 (图 l-l(b)。 贴片型 FSS (b)孔径型 FSS 图 1-1 FSS的单元结构 如图 1-2所示，为频率选择表面二维周期阵列示意图，根据单元之间排列的 角度可以将单元周期的排列方式分为两种形式，矩形栅格 (Uzgcr )和三角栅 格 ( 传输特性 传输特性
17、 传输特性 万方数据 第一章绪论 正式引入了，自此很多西方国家的研宄小组展开了对频率选择表面的广泛而深入 的研宄 9。其中比较有代表性的团队，如由美国的俄亥俄州立大学的 B.A.Munk 教授带领的研宄团队，在美国赖特 .百特森空军基地航空电子实验室的资助下， 此团队从理论研宄到实际应用进行了长期而富有成效的探索，并且最早于二十世 纪八十年代实现了由频率选择表面构成的流线型天线罩。美国的 UIUC大学的 Raj Mittra教授 .I2等人于上个世纪八十年代基于谱域法对 FSS进行了深入研 究，建立了系统的 FSS谱域法分析模型，能够对有限周期、多层级联结构的 FSS 进行有效的分析。英国肯特
18、大学的 J.CVardaxoglou与 E.A.Parker13_15等人对 结构不同的 FSS单元从等效电路的角度进行分析，并给出了具有工程应用价值 的结果，同时对构成 FSS的诸参变量对其频响特性的影响进行了很多方面的探 讨。 国内对 FSS的研宄起步较晚，始于上个世纪八十年代末，利用电磁数值方 法分析由基本单元构成的 FSS的散射特性是早期研宄的主要方向 16【 21，此外也 对 FSS的应用进行了研宄 22-24】 。比较具有代表性的例如，在 FSS的研宄中东南 大学的章文勋教授带领的课题组利用谱域法进行了分析 1，冯林等人利用等效电 路法分析了频率选择表面的散射特性模匹配技术被侯新宇
19、用于研宄频率选择 表面带宽及传输损耗受介质层厚度变化的影响并将频率选择表面应用到了 雷达罩的设计中 1，等等。虽然国内对频率选择表面的研宄起步较晚，但是我国 在 FSS的工程应用方面最近几年发展的很快；不过我国在 FSS方面的分析研宄 还处于较低阶段，对频率选择表面更高一层次的研宄还没有统一和有效的理论分 析体 系 m。 国内在频率选择表面的综合应用领域，至今为止还不算完善，与西方 发达国家相比，国内在频率选择表面的实际应用方面还较为落后。 1.3频率选择表面的应用和研宄意义 因为 FSS相当于空间滤波器，所以使得 FSS的研宄含盖了电磁波的微波、 红外和可见光等波段；不管在民用还是军用方面， FSS都引起了广泛的关注，应 用十分广泛128。 关于 FSS在民用方面的应用，其中有一个非常贴近生活的例子就是微波炉 门上的屏蔽层，可以使得我们在不被电磁炉的电磁波辐射的前提下看得见里面的 3 万方数据