以方同轴线结构为周期单元的三维频率选择表面的特性与应用研究

To meet the growing demand of the emerging three-dimensional frequency selective surfaces (3-D FSS), this proposal will study the characteristics and application of a series of 3-D FSS based on the square coaxial line unit cell, including: (1) Analyzing the frequency response and the field distribution of the square coaxial line unit cell; (2) Equivalent circuit modeling of the unit cell and field coupling analysis of the propagation paths; (3) Studying the electromagnetic wave propagation characteristics of the nested coaxial line unit cell, and analyzing the corresponding multiband property and angular stability; (4) Evaluating the passband property, out-of-band rejection property and angular stability when the propagation path of the square coaxial line unit cell is partially blocked; (5) Analyzing the propagation mode, field distribution and out-of-band rejection property when one propagation path of the square coaxial line unit cell is completely blocked; (6) Rapid Prototyping of the proposed 3-D FSS by advanced manufacturing method such as 3-D printing technology and testing. This proposal will provide technical reserves for the application of the 3-D FSS and even the 3-D periodic structure.

本申请针对新兴三维频率选择表面（3-D FSS）的发展需求，开展基于方同轴线周期单元构造的一类3-D FSS的特性与应用研究。分析方同轴线周期单元的频率响应和场分布，建立单元的等效电路模型并研究传播路径中电磁波的耦合机理；在此基础上，研究同轴嵌套结构周期单元的电磁波传播特性，分析其多频性能和角度稳定性；研究方同轴线周期单元传播路径部分阻断对其宽频带特性、带外抑制特性以及角度稳定性的影响；研究方同轴线周期单元其中一条传播路径全部阻断对其传播模式和场分布的影响，并分析其带外抑制性能；结合三维打印等先进加工技术实现3-D FSS的快速原型设计并测试，为我国3-D FSS乃至三维周期结构的应用研究做好技术储备。

针对新兴三维频率选择表面（3-D FSS）的发展需求，在2016-2019年国家自然科学基金面上项目的资助下，本项目课题组基于方同轴线（SCL）周期单元结构开展了3-D FSS的特性与应用研究。主要工作内容如下：1）方同轴线原型结构周期单元的电磁波传播特性研究。提出了方同轴线周期原型结构，分析了电磁波传播特性；运用合成渐进法推导出了方同轴线原型结构的特性阻抗、开路端电容的计算公式；基于方同轴线原型结构设计了一款准椭圆响应的带通FSS，对其工作原理进行了场理论和等效电路分析，最后运用3D打印工艺进行了加工。2）同轴嵌套结构周期单元电磁波传播特性与应用研究。为了克服基于方同轴线原型结构所设计的FSS具有重量大、加工装配复杂等不足，将原始结构中内导体挖空来减轻重量，此外将有厚度的金属方筒替换为薄铜箔，便于采用普通的PCB印刷制作电路板技术来加工，最终得到了优化后的周期单元结构。基于多层嵌套设计思想，提出了一款三阶带通FSS和一款小通带比的双频带通FSS，对其工作原理进行了场理论和等效电路分析，最终进行了加工与测试。3）方同轴线周期单元传播路径部分阻断对电磁波传播特性的影响与应用研究。通过加载耦合缝隙、金属化过孔、短方同轴线三种方式进行路径信号的部分阻断，设计了6款高性能的3-D FSS。通过加载耦合缝隙部分阻断同轴路径，设计了带通FSS和双频带通FSS；通过加载金属化过孔部分阻断平行板波导（PPW）路径，设计双频带通FSS；通过加载金属化过孔和耦合缝隙，设计了双频带通FSS；通过加载短方同轴线设计了两款宽阻带3-D FSS。4）方同轴线周期单元有一条传播路径全部阻断对电磁波传播特性的影响与应用研究。通过将平行板路径全部阻断，形成矩形波导腔结构，在此基础上加载不同的介质谐振单元，提出了一款宽频带通FSS、一款准椭圆响应带通FSS、一款三阶带通FSS和一款高选择性、小通带比双频带通3-D FSS，对其工作原理进行了分析，最终进行了加工与测试。