频率选择表面的高效高精度近似解析分析法研究

The asymptotic theory on potential and current distribution of wire antenna has been revised. With the combination of Kirchhoff Circuit Laws, the theory is applied to establish an approximate analytical model to calculate electric/magnetic current distribution on a single layer FSS. The model brakes the traditional analytic method's dependence on full wave numerical calculation, and exhibits not only the efficiency, but also the accuracy and the generality. Based on the model, an approximate analytic analysis method for multilayer FSS using multiport network cascade and signal flow graph theory is provided. The network scattering matrix of each FSS layer can be obtained analytically using surface electric/magnetic current distribution of single layer FSS. Therefore, the surface electric/magnetic current distribution on intercoupled multilayer FSS need not to be determined, and no restriction on multilayer FSS structure which is required by the multimode equivalent network method. Therefore, the proposed method is a universal efficient solution for multilayer FSS. Meanwhile, for multilayer FSS on thick substrate without considering of cross polarization and no grating lobe existed in operation frequency band, a more efficient approximate analytical analysis approach is provided. This approach decouples the multilayer FSS to the single layer structure and calculates the surface electric/magnetic current distribution individually, and simplifies Munk’s multilayer FSS analysis model by Galerkin method. The research will provide a complete set of efficient, accurate and universal solution for the analysis, design and optimization synthesis of most single layer, multilayer, bandpass, bandstop FSS with common geometries.

本项目对线天线电位、电流分布渐近理论进行修正，并结合基尔霍夫电路定律提出了单层FSS表面电/磁流近似解析计算模型，突破了传统解析法对全波数值计算的依赖，不仅高效，而且精度和普适性均有保障。在此基础上，提出了基于多端口网络级联技术和信号流图理论的多层FSS近似解析计算法，各层FSS网络散射矩阵由单层FSS表面电/磁流解析求出，不需要求解互耦的多层FSS表面电/磁流，也解除了现有多模等效网络方法对多层FSS结构的限制，成为了多层FSS通用高效解决方案。同时，对不考虑交叉极化、工作频带内无栅瓣的厚介质衬底多层FSS，提出了将多层FSS表面电/磁流计算解耦为单层结构独立计算，并采用Galerkin方法简化Munk多层FSS计算模型，为这类FSS提供了一种更高效的近似解析分析途径。项目研究内容将为多数形状单元的单层、多层、带通、带阻型FSS的分析设计、优化综合提供整套的高效、高精度和普适性的解决方案

频率选择表面（FSS）在雷达头罩、天线、无线通信安全、电磁屏蔽、吸波、极化转换、超材料等领域应用广泛，传统的全波数值计算虽然准确度高并具有普适性，但都需要对FSS结构进行网格剖分和复杂的数值计算，存在设计低效的缺点，尤其不能满足复杂结构的快速计算需求。本项目开展FSS高效高精度近似解析分析法研究，通过对线天线电位、电流分布渐近理论进行修正，并结合基尔霍夫电路定律提出了单层无限大介质中FSS表面电/磁流近似解析计算模型，突破了传统解析法对全波数值计算的依赖，不仅高效，而且精度和普适性均有保障。同时提出了基于归一化电流分布的简化部分元电路法（normalized-current-based simplified Partial Element Equivalent Circuit，简称NCB simplified PEEC），成功解决了任意多层薄介质中单层FSS表面电/磁流分布的高效近似计算。在此基础上，对不考虑交叉极化、工作频带内无栅瓣的厚介质衬底多层FSS，提出了将多层FSS表面电/磁流计算解耦为单层结构独立计算，并采用Galerkin方法简化Munk多层FSS计算模型，为这类FSS提供了一种更高效的近似解析分析途径。对于具有“三明治”结构的薄介质衬底多层对称FSS，利用单层FSS表面电/磁流分布导出各层FSS多模等效网络参数的解析计算公式，再采用多端口网络级联构建多层FSS多模等效网络，通过结构中心对称面开展奇偶模化简，从而快速计算结构的散射特性。.项目研究以提高FSS分析设计效率为目的，完成了厚/薄介质中单层/多层FSS表面电流、磁流和电磁散射特性的高效近似解析程序，计算速度比传统数值分析提高数十倍至数百倍，分析频段可到毫米波波段，为多数不同形状单元的单层、多层、带通和带阻型FSS提供从电磁建模、解析计算到快速设计优化的全套解决方案。.此外，项目在IEEE Transactions on Antennas and Propagation、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters等国内外期刊和会议发表论文9篇，其中：SCI、EI共收录6篇、《微波学报》受邀论文1篇；申请发明专利7项（授权2项）；培养博士研究生4名（2名毕业、2名在读），硕士研究生2名（已毕业）。