基于栅网结构的频率选择表面电磁传输机理和光电特性研究

Studies on the electromagnetic shielding technology of Radar/Infrared combined guidance systerms belong to the frontier topics in the field of microwave communications, which have not been solved so far in the world. It is therefore of great significance to use new electromagnetic shielding theoretical methods to identify the electromagnetic transmitting mechanisms and optoelectronic performance at high and low frequencies for the FSS based on grid structure. however, there are few reports at home and abroad currently. Project team proposes to study on the periodic surface stucture consisted of FSS based on the grid structural using the the method of equivalent circuit to establish a equivalent film model. The research of FSS based on grid structure is carried out by designing different typs grid structures or cascading multiple resonance circuits to analyze photoelectric properties of the FSS. Through the studies mentioned above, we can lay a theoretical foundation to solve the contradiction between electromagnetic shielding efficiency and transmittance and the problem of stray light concentrated distribution, to achieve faster calculation and higher accuracy of electromagnetic shielding efficiency, and to search after optimization rules of electromagnetic shielding efficiency and frequency response.

雷达/红外复合制导系统的电磁屏蔽技术研究属于微波通讯领域的前沿性课题，国内外至今尚未解决。因此，探索新的电磁屏蔽理论和方法来研究基于栅网结构FSS在高频和低频波段的电磁传输机理和光电性能具有重要意义，然而目前国内外对此研究的报道较少。项目组提出采用等效电路法建立栅网结构FSS对应的等效薄膜模型，开展由栅网结构FSS组成的周期表面等效薄膜研究；通过在不同类型栅网结构上以及多级谐振电路级联的方式设计和分析FSS光电特性，开展栅网结构FSS光电特性一体化设计方法研究。为解决栅网结构FSS电磁屏蔽效率与透光率的矛盾及其杂散光集中分布的问题，实现快速、高精度计算FSS电磁屏蔽效率的目标，探索FSS电磁屏蔽效率和频率响应特性优化设计规律奠定理论基础。

雷达/红外复合制导电磁窗口研究属于微波通讯领域的前沿性课题，国内外至今尚未解决兼具高透光率、高成像质量、己方雷达高透波率与强电磁屏蔽效能的复合窗口设计难题，围绕其“快速、高精度的电磁屏蔽效能分析”、“雷达/红外双波段透波设计与低频微波干扰信号电磁屏蔽设计之间存在固有矛盾”两项关键科学问题，本项目开展了基于超材料等效媒质理论的栅网结构FSS等效薄膜、栅网结构FSS光电特性一体化设计方法、栅网结构FSS加工误差对其屏蔽效能影响规律三项研究内容，并取得了以下重要成果及其科学意义。.揭示了优化栅网结构FSS电磁传输特性技术途径是抑制表面模式互作用零点的产生。提出了三种栅网结构FSS人工构造组合图案设计规则，抑制了模式互作用零点的产生，实现了栅网结构FSS的一体化设计。采用基于等效媒质理论的等效电路法，推导出了快速分析栅网结构FSS电磁屏蔽效能一系列计算公式。通过构造方格型栅网结构FSS、圆环型栅网结构FSS、组合周期栅网结构FSS的光学孔径函数，建立了其标量衍射物理模型、衍射光强分布函数。推导出了多种栅网结构FSS光学透光率计算公式，为寻找抑制其杂散光、提高其光学透光率的技术途径奠定了基础。以周期矩量法为核心计算方法，采用离散粒子群算法优化设计了栅网结构FSS的毫米波透波功能。掌握了两种提供栅网结构FSS电磁屏蔽效能的技术途径。制作出了雷达红外复合制导光窗样件，探索出了其金属线宽鲁棒性为10μm±8μm、厚度不能低于0.51μm，其表面电阻10~14Ω/□，在入射角0°~50°、Ka波段0.5GHz带宽范围内，其透波率≥80%、阻带反射率≥80%；在3μm~5μm范围内，其透光率≥75%；相比较于未加载栅网结构FSS的光窗，其MTF下降量小于5%；L波段电磁屏蔽效能均值-27.7dB，S波段电磁屏蔽效能均值-20.7dB，C波段电磁屏蔽效能均值-11.3dB。