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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 任意极化下有源FSS的研究 姓名：丁吉 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：徐金平 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 频率选择表面(FSS)是由大量的无源谐振单元，按一定的规律排列组成的周期性的阵列结 构。它可以有选择地实现电磁波的传输或反射，本质上是一种空间滤波器。有源 FSS 在微波频 段有着广泛的应用。我们可以利用 FSS 的频率选择特性制作隐身雷达罩，在雷达工作频段之外 降低飞行器头向 RCS，大大提高隐身性能，增强飞行器的生存能力；频率选择表面可结合武器 装备的金属表面构成电路模拟吸波材料，当这种材料被应用武
2、器平台表面时，可较好地改善武 器平台的电磁环境。但由于传统 FSS 设计工作带宽、谐振频率等参数是固定的，不能适应外部 电磁环境的变化。针对这一缺点，国外提出了有源频率选择表面(Active FSS) 。 本文以 X 波段的应用需求为背景，以缝隙型有源 FSS 为主要对象，使用 HFSS 电磁仿真软 件对有源 FSS 进行分析， 在有源 FSS 的谐振特性、 电抗加载、 馈电网络等方面进行了以下研究： 1. 对常见 FSS 谐振单元和复合单元 FSS 的谐振特性进行了研究； 对影响谐振特性的因素， 如单元的几何结构、介质加载方式等进行了归纳、总结。 2. 在研究有源 FSS 透射与反射特性方面
3、，利用等效电路对其谐振特性的可调原理进行解 释，应用 HFSS 仿真软件分析了有源 FSS 在不同感抗加载时的频响特性，研究了双层有源 FSS 的频响特性。 3. 提出了一种考虑馈电网络影响的 FSS 结构设计方案，接着使用电磁仿真软件进行了 FSS 结构与馈电网络一体化的建模仿真分析与优化设计，最终优化设计出了在 X 波段内频率 可调，对入射角以及极化方式不敏感的可电控缝隙型 FSS 结构。 关键词：关键词：频率选择表面(FSS)，有源频率选择表面(Active FSS)，等效电路法，馈电网络，极化 方式 任意极化下有源 FSS 的研究 II Abstract Frequency selec
4、tive surfaces (FSS) are usually constructed from periodically arranged metallic patches of arbitrary geometries. FSS is a type of spatial electromagnetic filter, which the useful electromagnetic waves can get across, but unwanted waves will reflect from. FSS have been the subject of intensive invest
5、igation for their widespread applications. Radar cross section can be reduced remarkably outside radar operating band with the application of FSS technology to stealth radomes, which can enhance stealth and viability of flying vehicles. FSS is also an important component of electromagnetic absorbers
6、, which have very important significance on stealth of weaponry. However, traditional FSS, once designed and manufactured, have fixed characteristics such as resonance frequency and bandwidth. It can not be adaptive to complex and unfixed electromagnetic environment. So, active FSS have been propose
7、d. The characteristics of resonance, relative between resonance and reactive loading are investigated in X band , especially in term of those of active slot FSS. 1. The resonant characteristics of FSS are studied. Effects of element shape, substrate loading on electrical performance indices are summ
8、arized. 2. Active FSS has been studied. The tunable characteristics of the active FSS have been demonstrated by means of equivalent-circuit models, and the frequency response has been analyzed by HFSS. Different structures about dual-layer active FSS have been studied. 3. A design method of eliminat
9、ing the effect of feeding network is proposed. Finally an electronical tunable four-leged slot FSS structure with transmission property, of which the bandwidth can be tuned and has insensitivities in incident angle and polarization excitation is designed and optimized. Key words: Frequency Selective
10、 Surfaces (FSS), Active Frequency Selective Surfaces, equivalent circuit model, feeding network, polarization excitation 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图、表清单 图 1.1 单双方环可电控 FSS 吸波屏 2 图 2.1 FSS 常用单元结构4 图 2.2 FSS 的滤波类型4 图 2.3 一维周期结构.6 图 2.4 二维周期结构.6 图 2.5 容性金属带栅的电子分布.10 图 2.6 容性金属带栅的等效电路模型.10 图 2.7 感性金属带栅的电子分布.10 图
11、2.8 感性金属带栅的等效电路模型.10 图 2.9 无限大贴片型偶极子阵列.11 图 2.10 无限大缝隙型偶极子阵列.12 图 2.11 四腿加载单元与方环单元带宽比较.13 图 2.12 方环缝隙型 FSS 单元.13 图 2.13 周长对 FSS 频响特性的影响 13 图 2.14 间距对 FSS 频响特性的影响 14 图 2.15 二维 FSS 的两种排布方式 15 图 2.16 介质厚度对 FSS 频响特性的影响 16 图 2.17 缝隙宽度对 FSS 频响特性的影响 16 图 2.18 复合 FSS 单元结构17 图 2.19 复合 FSS 的等效电路.17 图 2.20 方环圆
12、环复合 FSS 反射特性曲线 18 图 2.21 方环圆环复合 FSS 传输特性曲线 18 图 2.22 复合 FSS 单元结构19 图 2.23 复合 FSS 的等效电路.19 图 2.24 Y 极子 Y 环复合 FSS 传输特性曲线.19 图 2.25 Y 极子 Y 环复合 FSS 反射特性曲线.20 图 3.1 方环贴片型 FSS 单元22 图 3.2 串联电路等效模型22 任意极化下有源 FSS 的研究 VI 图 3.3 方环贴片型 FSS 传输特性曲线.22 图 3.4 不同极化方向对 FSS 特性影响.23 图 3.5 十字环贴片型 FSS 单元 24 图 3.6 十字环贴片型 F
13、SS 的传输特性曲线.24 图 3.7 不同极化方向对 FSS 特性影响25 图 3.8 方环环缝型 FSS 单元结构 26 图 3.9 方环缝隙型 FSS 反射特性曲线.26 图 3.10 并联电路等效电路.27 图 3.11 入射角度不同对 FSS 特性影响27 图 3.12 不同极化方向对 FSS 特性影响28 图 3.13 十字环缝隙型有源 FSS 单元结构.28 图 3.14 十字环缝隙型 FSS 反射特性曲线.29 图 3.15 入射角度不同对 FSS 特性影响30 图 3.16 不同极化方向对 FSS 特性影响30 图 3.17 耶路撒冷缝隙型有源 FSS 单元结构.31 图 3
14、.18 耶路撒冷缝隙型 FSS 反射特性曲线.31 图 3.19 入射角度不同对 FSS 特性影响32 图 3.20 不同极化方向对 FSS 特性影响33 图 3.21 双层十字缝隙型 FSS 结构 33 图 3.22 双层 FSS 结构 34 图 3.23 介电常数与传输系数的关系34 图 3.24 介质层厚度与传输系数的关系.35 图 3.25 双层十字缝隙型 FSS 传输曲线.36 图 3.26 矩形排布方环有源 FSS .37 图 3.27 交错方环缝隙型 FSS 传输曲线.37 图 4.1 微波变容二极管的结构.39 图 4.2 微波变容二极管的等效电路.39 图 4.3 微波变容二
15、极管的结电容与偏压39 图 4.4 PIN 管的结构 40 图 4.5 PIN 管的正偏等效电路 41 图 4.6 PIN 管的反偏等效电路 41 图 4.7 HPND4038 的结电容与反偏电压的关系42 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 4.8 馈线排布.43 图 4.9 十字缝隙型结构及其等效电路模型.43 图 4.10 十字缝隙型有源 FSS 结构及其等效电路模型.44 图 4.11 十字缝隙型有源 FSS 结构正反面设计图.44 图 4.12 加载馈电网络 FSS 的等效电路模型44 图 4.13 L 对反射特性曲线的影响 45 图 4.14 W 对反射特性曲线的影响.46
16、图 4.15 T 对反射特性曲线的影响 46 图 4.16 缝宽对反射特性曲线的影响.47 图 4.17 FSS 背部馈线设计47 图 4.18 加载电容变化对反射特性的影响.48 图 4.19 加载电容变化对透波特性的影响.48 图 4.20 入射角度变化对透波特性的影响.49 图 4.21 极化方式对透波特性的影响.49 表 2.1 避免珊瓣出现的 FSS 阵列间距条件15 表 4.1 HPND4038 的技术资料42 承诺书 本人声明所呈交的硕士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究成果。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 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库
