有源频率选择表面的高功率瞬态响应机理及优化设计算法研究

The Active Frequency Selective Surface (AFSS) is a kind of spatial filter with adjustable frequency. It has been widely used in the field of microwave communication, EMC, ECM etc. In this project the transient response mechanism of the AFSS with PIN which is working on the high power pulse is researched. For the design of AFSS which has multi-physical optimization parameters, just like the stucture of AFSS, the position, the model and the bias voltage of PIN tube etc, the efficient time domain optimal design algorithm is researched. At first, the electrical characteristics of PIN in high power are obtained by experiment and simulation. And then combining the theory of carrier drift-diffusion with the lumped charge model of PIN, the physicas-base compact model of PIN which is suitable for high power can be established. Implanting this model into AFSS and by using of the spectral-element time-domain method combination with field-circuit coupling algorithm, the influence low about the spatial filtering characteristics of AFSS which is working on the high power pulse can be analysised. And the transient response mechanism of this process can be revealed. Based on these works, the manifold mapping algorithm in time-domain is researched for the optimization design of AFSS which has multi-physical parameters. All results should be demonstrated by experimentations. This project is of practical significance to enrich the research content of AFSS, and to promote the application of AFSS.

有源频率选择表面是一种频率可调的空间滤波器，广泛地应用于微波通讯、电磁兼容、电子对抗等领域。该项目研究以PIN管为基本电调单元的有源频率选择表面对高功率脉冲的瞬态响应机理，并针对具有多物理参量优化目标（例如单元结构、有源器件的排布、选型、偏置等）的有源频率选择表面，研究高效的时域优化设计算法。项目通过实验与仿真获取PIN管在高功率输入时的电特性，据此将载流子漂移-扩散理论与PIN管集总电荷模型相结合，建立基于PIN管真实物理结构的高功率紧凑型数值模型。再将该模型植入有源频率选择表面，并结合场-电路耦合算法与时域谱元法，分析高功率脉冲对有源频率选择表面空间滤波特性的影响规律，揭示其瞬态响应机理。在此基础上，针对有源频率选择表面的优化设计，发展能处理多物理参量优化的时域流形映射算法，并通过实验对优化结果加以验证。该项目对于丰富有源频率选择表面的研究内涵，推动有源频率选择表面的应用具有实际意义。

有源频率选择表面（AFSS）是一种具有可重构频率响应的低剖面人工材料，被广泛地应用于微波通讯、电磁兼容、电子对抗等领域。由于包含有源器件和复杂媒质，AFSS对入射电磁波的瞬态响应在本质上具有非线性性，尤其在高功率微波照射下，这一特性表现得尤为明显。本项目研究以PIN管作为基本电调单元的AFSS对高功率微波的瞬态响应机理，并针对具有多物理参量优化目标（例如衬底材料、PIN管的排布、选型、偏置等）的AFSS，研究高效的时域仿真算法。首先，项目根据载流子漂移-扩散理论，分析大信号输入时PIN 管内部载流子的真实分布，据此对PIN 管集总电荷模型加以修正和完善，获得了可多组实际PIN管的高功率瞬态参数优化模型，其性能仿真结果与测量结果一致。在此基础上，将优化模型植入AFSS，并将电场-电路耦合算法与时域谱元法和时域有限差分法相结合，分析高功率微波对AFSS瞬态频率响应的影响，揭示其瞬态响应机理。其中，针对AFSS具有的周期结构，研究改进的分裂场时域算法，显著提高Floquet边界对斜入射电磁波的求解效率；研究基于间断伽辽金法的区域分解技术，获得准周期结构的快速时域仿真；针对AFSS的多尺度结构，研究时域谱元与时域有限差分的混合算法，最大程度地减少未知量，提高计算效率；针对AFSS衬底中的复杂媒质，重点研究铁氧体、磁化等离子体和各种色散媒质的快速时域仿真；针对高功率脉冲的形成机理，研究短间隙气体放电的瞬态响应；针对提高算法的时间稳定性，提出基于NewMark-β差分格式的高稳定的时域谱元法，在合理增加算法时间步长的同时，更提升了算法的长时稳定性。最后，针对AFSS结构的优化设计，利用高低阶基函数应用于时域谱元法时所呈现出的不同谱精度特性，提出优化多物理参量的时域流形映射算法，构建适用于时域仿真的快速优化算法。本项目的实施为丰富AFSS的研究内涵，推动AFSS的应用打下了坚实的基础。