高性能三维吸波式频率选择表面研究

Absorbing frequency selective surface (AFSS) is a special kind of frequency selective surface (FSS), which has wide applications in target invisibility and reducing interference, because of its frequency selective filtering and absorbing properties for electromagnetic waves having different frequencies, polarization states and incident angles. Conventional AFSS designs, realized by cascading different two-dimensional arrays, suffer from large unit-cell sizes, poor filtering and absorbing responses. The proposal studies a new kind of three-dimensional AFSSs with small unit-cell size and high performance by loading resistive structures into a stacked microstrip-line array. The contents of the research are as follows: Firstly, the equivalent circuit model is established and the operating principles of all resonant modes are analyzed; Secondly, the circuit parameters are extracted from the physical dimensions. The relationships among the circuit parameters, physical dimensions, and the filtering responses are then constructed. Based on this, design guidelines of this kind of AFSS are given. Finally, several design examples with high performance, such as dual-band absorbing response, wideband absorbing response, and tunable characteristics, are designed and realized. Some predicted studies indicate that the above-mentioned high performance can be obtained by reasonably producing and controlling the excited resonant modes or resonators. The predicted achievements are summarized as follows: establishing the equivalent circuit models, extracting the circuit parameters, simulating and measuring the design samples, and training 2-3 master students, etc.

吸波式频率选择表面是一种特殊的频率选择表面，对不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波同时具有频率选择滤波和吸波特性，在目标隐身和防止干扰等领域具有重要的应用价值。目前的实现方式是通过将二维阵列级联而成，缺点是单元尺寸大，滤波和吸波性能较差。本申请以三维层叠微带线阵列为基础，通过加载电阻性结构或有源元件，研究一类具有小单元尺寸和高性能的三维吸波式频率选择表面。主要研究内容包括：建立等效电路模型，分析各谐振模式的工作机理；提取等效电路参数，建立电路参数与物理尺寸、频率响应之间的对应关系，建立吸波式频率选择表面的设计理论；设计和实现高性能（包括双频带和宽带吸波特性，以及滤波和吸波性能可调谐等）三维吸波式频率选择表面。预先研究表明，本申请思想是可行的，可通过合理产生并控制谐振模式或谐振器而实现。预计研究成果包括等效电路模型的建立及分析，等效电路参数的提取，样品的设计与实验验证，培养硕士生2-3名

吸波式频率选择表面对不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波同时具有频率选择滤波和吸波特性，在目标隐身和防止干扰等领域具有应用价值。本项目将三维频率选择表面和吸波体相结合，从诸多方面研究了三维吸波式和小型化频率选择表面。主要研究内容和成果有：（1）基于层叠微带线阵列及其等效电路，在空气模谐振器中加载电阻，提出了一种具有带通滤波和宽带吸波特性的三维频率选择表面，吸波带宽达到114％；（2）基于层叠槽线阵列，提出了一种具有宽阻带特性的三维带通频率选择表面。在分析其等效电路的基础上，同时构建有耗和无耗谐振器，提出了一种具有双频吸收特性和低损耗带通特性的三维频率选择表面；（3）从等效电路出发，深入分析了吸波式带阻频率选择表面的带宽展宽机理。并基于层叠槽线结构，提出了三维双频吸波式带阻频率选择表面；（4）在层叠微带线阵列中加载变容二极管，提出了工作频率可调谐的三维带通频率选择表面，其调谐频率比达到2：1；（5）为改善三维频率选择表面实现困难的问题，利用多层印刷电路板和过孔技术，简化了三维单元结构，实现了新型三频带通和高选择性带通频率选择表面；（6）提出基于准集总电感和电容分离设计频率选择表面的思想，其中准集总电感和电容采用平行板电容器和弯折线独立实现，大大减少了单元尺寸，设计的小型化单元尺寸最小可达0.036λ0×0.036λ0。进一步利用该设计思想构建多模谐振器，提出了双频和多频带频率选择表面。（7）开发了复杂电磁环境中频率选择表面散射参数测试的软硬件平台，降低了测试成本。上述成果证实了我们提出的吸波式频率选择表面以及在频率选择表面中构建多模谐振器的设想是正确有效的，这为频率选择表面性能的提升提供了理论和实验依据。