主动频率选择表面电磁波调控能力增强及其有源器件馈电方法研究

As a kind of typical electromagnetic metasurface, active frequency selective surface (AFSS) integrated with active devices is applied in the fields of radar stealth, electromagnetic shield and microwave communication. Based on the former researches, there are restrictions between transmittance and controllability of the passband, the physical nature is that the distribution parameters of AFSS and the lumped parameters of active devices are difficult to realize collaborative design. So we take the compound guided electromagnetic windows of active/passive radar as the research objects, exploring the transmission-enhancement mechanism of electromagnetic waves for AFFS to realize strong coupling between main resonances at week excitation and acquiring a new design method of artificial microstructures; we will investigate the influence of complex bridge network on electromagnetic response of AFSS and grasp the topological construction rule of biasing network to get the relationship between dc drive and electromagnetic response, from which we can provide a new way to enhance the transmission and feeding mode; we also will optimize the parameters of fabrication process and evaluate the resistances to high temperature and high power electromagnetic pulse irradiation of AFSS by repeated experimental tests, achieving large-area, low-power-consumption and high-performance AFFS devices, which will provide the theoretical and technical supports for the application in engineering development.

集成有源器件的主动频率选择表面（AFSS）是电磁超表面中的重要一类，广泛应用于雷达隐身、电磁屏蔽、微波通信等技术领域。前期研究发现，AFSS通带的透波性能和其主动调控能力之间相互制约，且AFSS的应用环境与其自身特性之间存在矛盾，其物理本质是AFSS的分布参数与有源器件的集总参数难以协同设计。本项目以主/被动雷达复合制导电磁窗口为研究对象，通过探索AFSS的电磁波透射增强机理，实现弱激发状态下AFSS的多个主谐振模式的强耦合，掌握一种新的AFSS人工微结构设计方法；研究复杂电桥网络对AFSS电磁响应的影响规律以及偏置网络结构的拓扑构造规律，掌握AFSS直流驱动与电磁响应之间的关系，为增强其电磁波透射和优化其馈电方法提供新的技术途径；优化AFSS制作工艺参数、评估AFSS的耐温能力及抗高功率电磁脉冲照射能力，制备大面积、低功耗且高性能的AFSS产品，为AFSS走向工程应用提供理论和技术支撑。

集成有源器件的主动频率选择表面（AFSS）是电磁超表面中的重要一类，广泛应用于雷达隐身、电磁屏蔽、微波通信等技术领域。前期研究发现，AFSS通带的透波性能和其主动调控能力之间相互制约，且AFSS的应用环境与其自身特性之间存在矛盾，其物理本质是AFSS的分布参数与有源器件的集总参数难以协同设计。本项目开展了基于栅网结构的AFSS 人工微结构设计，优化AFSS 人工微结构设计结果，有源器件对AFSS 电磁响应的影响规律，优化设计双极化偏置网络，以及AFSS表面贴装工艺与性能评估方案等五项研究内容。构造跨尺度微结构谐振模式互作用的物理模型，优化出一种跨尺度双通带且低频宽通带的AFSS 人工微结构模型，掌握AFSS 有源器件的最佳响应条件，提出一种基于“场-路耦合”协同仿真技术的AFSS 电磁响应分析与计算方法，优化出一种AFSS 有源器件的馈电方法，揭示大面积且低功耗的偏置网络拓扑构造规律。制作出AFSS样件尺寸500mm×500mm，在2GHz~4GHz 范围内具有通带开关功能，通带开启时透过率86%，通带关闭时反射率81.5%；透波窗口在开启与关闭两种状态之间切换时，通带指标的响应时间177ms；包含2025个PIN二极管，驱动电压为0.8V，单个器件的功耗仅为16.56μW，总功耗66.42mW；以4℃/min的速率升温至试验温度150°C，样件试验前后，透过率平均值的变化不超过2%，AFSS通过耐温150°C考核。以典型的主/被动雷达复合制导电磁窗口为研究对象，构建了基于表面谐振电流的跨尺度微结构谐振模式互作用物理模型，揭示了跨尺度双通带FSS表面谐振电流的无序性、以及选频特性与波长的强相关性，导致大角度、宽角度范围内弱激发条件下AFSS难以高效二次辐射的物理机理。从宏观上和微观上探索了有源器件对AFSS电磁响应影响机理。创新采用电桥网络法，依据基尔霍夫定律，借助电路设计软件Cadence，掌握了串并联形式的复杂电桥网络对不同图案的AFSS电磁响应的影响规律，及其对应的双极化非独立式偏置网络的结构拓扑构造规律，解决了馈电网络可延展性、非干扰性、低功耗性的难题。