頻率選擇表面的小型化設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)是由相同的貼片或孔徑單元按二維周期性排列構(gòu)成的無限大平面結(jié)構(gòu)，它對具有不同工作頻率、極化狀態(tài)和入射角度的電磁波具有頻率選擇特性，因而在電磁領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文主要研究了實現(xiàn)頻率選擇表面單元尺寸減縮和剖面降低的方法，以及差分進化算法結(jié)合譜域法在頻率選擇表面優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。主要研究工作包括以下幾個方面：
　　 (1)從研究幾種基本單元形式的頻率選擇表面

2、的頻率響應(yīng)出發(fā)，分析了尺寸參數(shù)變化和陣列結(jié)構(gòu)變化對FSS性能的影響；然后研究了多種基于曲折型單元和交指型單元的單屏孔徑型FSS的傳輸特性，分析了尺寸參數(shù)變化對FSS諧振頻率和帶寬的影響；設(shè)計了一款基于交指六邊形環(huán)單元的單屏孔徑型FSS，該FSS的陣列周期小于λ/30(λ為真空波長)，電磁波法向入射時-3dB相對帶寬達到63.4％，入射角度在0～60°范圍內(nèi)變化時，諧振頻率的偏移小于1％。
　　 (2)對單元曲折和相鄰單元交指這兩

3、種FSS單元尺寸減縮的方法從小型化程度、帶寬和入射角度穩(wěn)定性等方面進行了對比研究，并得出結(jié)論--交指型FSS的小型化程度更高，相對帶寬更寬，對電磁波入射角度的穩(wěn)定性更好；從孔徑型FSS上等效磁流分布的角度給出了性能改善的物理解釋；分別加工了單元形式為曲折型和交指型六邊形環(huán)的雙屏孔徑型FSS的試驗?zāi)Ｐ?，并在微波暗室中對其傳輸系?shù)進行了測試，測試結(jié)果驗證了結(jié)論。
　　 (3)以基于天線-濾波器-天線陣列的頻率選擇表面(AFA-FSS

4、)的設(shè)計方法為基礎(chǔ)，分別設(shè)計了具有二階、三階帶通響應(yīng)和具有傳輸零點的AFA-FSS，分析了尺寸參數(shù)的變化對傳輸特性的影響；以二階AFA-FSS為基本模塊進行直接級聯(lián)，設(shè)計出了具有高滾降特性的低剖面頻率選擇表面。
　　 (4)從分形FSS的設(shè)計與分析出發(fā)，將分形技術(shù)應(yīng)用于AFA-FSS的設(shè)計中，從而對傳統(tǒng)的AFA-FSS單元的橫向尺寸實現(xiàn)了可觀的減縮；分析了分形迭代階數(shù)和分形迭代因子對FSS傳輸特性的影響；設(shè)計了一款基于二階Min

5、kowski分形貼片和十字分形縫隙的AFA-FSS，該分形AFA-FSS在通帶內(nèi)具有二階頻率響應(yīng)，且剖面很低，單元周期相對于傳統(tǒng)AFA-FSS有了較大改善；加工了二階分形AFA-FSS的試驗?zāi)Ｐ?，利用波?dǎo)測試系統(tǒng)測試了傳輸系數(shù)，測試結(jié)果與仿真結(jié)果的良好吻合驗證了設(shè)計方法的有效性。
　　 (5)實現(xiàn)了利用譜域法來分析具有多層介質(zhì)加載的多屏頻率選擇表面的數(shù)值計算方法，其中FSS為無限大平面結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)Floquet定理，將無限大F

6、SS的計算區(qū)域限定在一個FSS單元，利用傅里葉變換在譜域內(nèi)建立電場(或磁場)積分方程；然后利用譜域?qū)Ъ{法計算出多層各向同性媒質(zhì)的譜域格林函數(shù)，并將未知電流(或等效磁流)用屋頂基函數(shù)展開；利用伽略金矩量法求解該積分方程從而得到貼片上的表面電流分布；再根據(jù)表面電流分布來計算空間任意位置處的散射場，并最終計算出FSS的反射和透射系數(shù)。
　　 (6)將差分進化算法與譜域法結(jié)合對頻率選擇表面的優(yōu)化設(shè)計進行了研究。對單元形式為方環(huán)形的單屏貼