基于人工电磁材料的吸波/透波频率选择表面

论文摘要

由于拥有一些在自然环境下无法获得的奇特电磁特性,人工电磁材料引起了人们广泛的关注和研究。人工电磁材料在很多电磁学研究方向上有突破性的进展,比如控制电磁波幅度、相位、偏振,使“完美透镜”、“隐身衣”等只存在于科幻小说中的新奇事物成为可能。人工电磁吸波体,打破了传统Salisbury屏或者Jaumann吸波体对厚度的限制,实现了“轻、薄、宽、强”的优势,在国防和军工领域有着很大的应用前景,推动了现代化信息战争中“隐身材料”的发展。本文在人工电磁吸波体的基础上提出了吸透一体的新型吸波/透波频率选择表面。这种结构包括两层:损耗层和传输层。损耗层和传输层共同作用可以达成吸透一体的效果,主要的应用方向是雷达天线罩的设计。此结构在我方雷达频带内有较好透波性能,不影响我方雷达发射信号和接收信号的工作,而在透波频带外天线罩等同于吸波体,能够吸收对方探测雷达信号,这样可以缩减雷达散射截面（Radar Cross Section,RCS）,大大提高反侦察能力,增强作战性能。（1）本文研究并设计了一种双极化的吸波/透波频率选择表面,此吸波/透波频率选择表面的透波峰位于吸波频段的上方,是一种高通低吸型的结构,简称为高通型吸波/透波频率选择表面（同理,低通型吸波/透波频率选择表面指的是透波峰位于吸波频段下方的低通高吸型结构）。我们利用了一种人工电磁吸波体和传统的频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）进行优化和重组,形成了双层结构:损耗层和传输层。传输层是由频率选择表面构成的;损耗层是一种带有镀铜通孔的超材料宽带吸波体,吸波原理是在入射电磁波的作用下,结构产生电谐振和磁谐振,介质的损耗和金属的损耗导致了对入射电磁波的吸收,而表面加载的电阻可以进一步引入损耗,扩展吸波带宽。为了使损耗层产生一个与传输层透波峰频率一致的透波窗口,我们在损耗层表面电流密度较低的位置设计了方形缝隙,与传输层的方形透波缝隙FSS相对应共同作用,形成整体结构的一个透波窗口,最后进行了仿真分析验证。经过优化设计,将方形缝隙换成圆形缝隙并进行了仿真和实验,最终实现了X波段的吸波和17 GHz处的透波。（2）本文研究并设计了具有可调性能的吸波/透波频率选择表面。首先利用等效电路模型分别对高通型和低通型吸波/透波频率选择表面的损耗层和传输层进行了设计,并基于ADS仿真软件中的电路模型仿真验证了设计的高通型吸波/透波频率选择表面。根据高通型吸波/透波频率选择表面的等效电路模型,选用了方环阵列作为损耗层、方环缝隙阵列作为传输层设计了模型,并通过CST微波工作室仿真,获得了1.5 GHz至4.5 GHz频段的吸波特性和于4.3 GHz处透波的传输特性。为了实现可调性能,我们在高通型吸波/透波频率选择表面结构中引用了型号为SMP1345-079LF的PIN二极管,将其加载在传输层方环缝隙FSS四周,通过改变偏置电压实现透波峰的打开和关闭两个状态:当PIN管状态为关闭时,吸波频段为1.9 GHz至4.7 GHz,透波峰位于4.6 GHz,插损为0.35 dB;当PIN管状态为导通时,透波窗口关闭,吸波频段为2 GHz到3.4 GHz。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 人工电磁材料概述
•     1.1.1 人工电磁材料的概念与发展历程
•     1.1.2 频率选择表面的概念
•   1.2 吸波/透波频率选择表面的研究背景与发展现状
•   1.3 本文主要工作与结构安排
•   参考文献
• 第二章 一种宽带吸波/高频透波的频率选择表面
•   2.1 引言
•   2.2 具有镀铜通孔的吸波体
•     2.2.1 吸收率概述
•     2.2.2 模型设计
•     2.2.3 原理分析
•   2.3 双极化型吸透一体频率选择表面
•     2.3.1 模型设计
•     2.3.2 仿真及实验结果
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 可调型吸波/透波频率选择表面
•   3.1 引言
•   3.2 吸透一体频率选择表面模型
•     3.2.1 低通、高通及带通的等效电路分析
•     3.2.2 基于方环缝隙阵列的低通、高通频选设计
•   3.3 可切换设计与实验环境
•     3.3.1 可切换设计原理
•     3.3.2 可切换吸透一体高通频选的模型设计
•   3.4 可切换双极化型吸透一体频率选择表面的实验验证
•     3.4.1 横电磁波小室测试方法
•     3.4.2 实验结果
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• 第四章 总结与展望
• 攻读硕士期间发表的成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐帆帆

导师: 姜田

关键词: 人工电磁材料,吸波透波一体,频率选择表面,可调

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,电力工业

单位: 南京大学

分类号: O441;TB34

总页数: 69

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