多層平面周期結(jié)構(gòu)的電磁特性研究.pdf

1、多層平面周期結(jié)構(gòu)作為一種特殊的電磁材料己廣泛應(yīng)用在雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。它不僅能用作頻率選擇表面(FSS)實(shí)現(xiàn)空間濾波功能，還可以用作極化器實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換功能。本文密切結(jié)合相關(guān)預(yù)研項(xiàng)目，對多層平面周期結(jié)構(gòu)電磁特性的理論分析以及FSS和極化器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，其主要工作可以概括為：
　　 1.分別采用模匹配法和譜域法推導(dǎo)了各向同性分層媒質(zhì)中單層平面周期結(jié)構(gòu)的積分方程(包括電場積分方程(EFIE)和磁場積分方程(MFIE))，通過

2、矩量法求解積分方程得到散射參數(shù)。多層平面周期結(jié)構(gòu)則通過廣義散射參數(shù)的級聯(lián)技術(shù)來分析。推導(dǎo)了雙各向異性分層媒質(zhì)的譜域并矢格林函數(shù)，并將譜域法推廣到雙各向異性分層媒質(zhì)中平面周期結(jié)構(gòu)的分析中。研究了鐵氧體FSS的諧振特性，導(dǎo)出了入射波為TE極化并且偏置磁場與入射電場平行時(shí)鐵氧體襯底FSS的諧振頻率的近似計(jì)算公式。
　　 2.采用分形理論設(shè)計(jì)了一種小型化多頻段FSS。分形簡單說來就是自相似，它在微波領(lǐng)域尤其是小型化、多頻段、寬頻段設(shè)計(jì)上

3、得到了廣泛應(yīng)用。本文研究了不同階數(shù)的分形十字環(huán)孔徑型FSS的傳輸特性，結(jié)論表明可以通過高階分形單元來設(shè)計(jì)小型化多頻段FSS。
　　 3.設(shè)計(jì)了一種角度和極化不敏感的四頻段FSS。該FSS使用了一種新型組合單元，該單元由一個(gè)旋繞環(huán)和一個(gè)十字環(huán)組成，與傳統(tǒng)的方形環(huán)相比，該單元具有更多的可調(diào)參數(shù)，從而提高了設(shè)計(jì)靈活性。采用此新型單元設(shè)計(jì)了一種角度和極化不敏感的四頻段FSS：反射X波段和K波段的波，透射L波段和Ku波段的波。該FSS在0

4、°～75°入射角范圍內(nèi)，兩個(gè)環(huán)對應(yīng)的諧振點(diǎn)(分別位于X波段和K波段)以及兩諧振點(diǎn)之間的傳輸波峰(位于Ku波段)具有角度和極化不敏感性，在L波段，F(xiàn)SS的TM極化的傳輸系數(shù)具有角度不敏感性。此外，該FSS印刷在單層介質(zhì)襯底上，具有剖面低，制作成本低，易于共形等優(yōu)點(diǎn)。
　　 4.研究了法布里-珀羅干涉(FPI)理論，并將它應(yīng)用到雙層FSS的設(shè)計(jì)中。提出了一種設(shè)計(jì)窄帶帶通FSS的方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種工作在96GHz的窄帶帶通FSS；

5、設(shè)計(jì)了一種對稱雙層四頻段FSS，并根據(jù)FPI理論改進(jìn)了S波段的傳輸性能；設(shè)計(jì)了一種雙阻帶FSS，該FSS具有寬頻帶、高滾降系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。給出了對稱雙層FSS的等效電路模型，并根據(jù)該模型對FSS的頻率響應(yīng)做出了定性的物理解釋。采用Floquet理論和廣義散射參數(shù)的級聯(lián)技術(shù)分析了金屬層之間的錯(cuò)位對雙層FSS傳輸性能的影響。結(jié)論表明：單元周期越大，金屬層間距越小，金屬層之間的耦合就越強(qiáng)，錯(cuò)位位移對FSS傳輸特性的影響就越顯著。
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6、.將譜域法應(yīng)用到極化器的分析當(dāng)中，設(shè)計(jì)了一種低剖面圓極化器和一種多功能極化器。常用的極化器通常是平面周期結(jié)構(gòu)，因此可以用譜域法來分析。高性能的極化器通常是多個(gè)金屬層的級聯(lián)，傳統(tǒng)的等效電路模型并不能很好的考慮金屬層之間的互耦，因此不能用來分析設(shè)計(jì)金屬層之間互耦較強(qiáng)的低剖面極化器。采用譜域法結(jié)合廣義散射參數(shù)的級聯(lián)技術(shù)克服了這個(gè)缺點(diǎn)。本文采用譜域法設(shè)計(jì)了一種低剖面圓極化器，該極化器由兩層曲折線級聯(lián)而成，極化器的總厚度約為0.14個(gè)波長。設(shè)計(jì)了

7、一種多功能極化器，該極化器由兩個(gè)相同的圓極化器組成，當(dāng)其中一個(gè)圓極化器單獨(dú)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)線圓極化之間的轉(zhuǎn)換；當(dāng)兩個(gè)圓極化器級聯(lián)起來工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)線極化的任意旋轉(zhuǎn)，也可將左旋圓極化轉(zhuǎn)換為右旋圓極化。
　　 6.對FSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。采用Powell方法結(jié)合模匹配法對圓環(huán)的內(nèi)外徑、周期大小和陣列的排布方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的FSS性能得到明顯改善。采用微遺傳算法結(jié)合譜域法優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種具有任意單元形式的三頻段FSS。