微波频段小型化频率选择表面设计

为提高频率选择表面的性能,使其可精确控制电磁波在微波频段下的传播特性,实现对电磁波的反射、透射或吸收,设计了一种微波频段小型化频率选择表面。该频率选择表面单元尺寸为0.024λ×0.024λ,小型化性能良好。在1~10 GHz范围内有3个通带,具有极好的极化稳定性和角度稳定性,可保持工作频率和带宽不变,传输性能良好。该研究结果可作为频率选择表面分析的依据,为其小型化设计提供思路。

封闭舱室电磁屏蔽用频率选择表面吸波体设计

为了解决封闭舱室内反射型电磁屏蔽结构引起的电磁场水平易于升高的问题,提出了一种斜入射电磁波相位补偿频率选择表面(FSS)吸波体设计方法,并基于该方法设计了一款超宽带、角度稳定的FSS吸波型电磁屏蔽结构。利用吸波结构中不同介质层对斜入射时高频和低频的电磁波相位分别进行补偿,实现了宽频带内良好的角度稳定性。在此基础上,采用宽度渐变条带,并结合开缝和顶端加载技术设计出了新型十字FSS单元结构,有效拓展了该单层单谐振FSS吸波体的工作带宽。仿真结果表明,该结构90%吸波频带为3.9~25.8 GHz(相对带宽147.5%);在4.7~22.1 GHz(129.9%)频带内,两种极化下满足90%吸波率的角度稳定性达30°;即使斜入射增加到50°时,吸波率仍高于80%。对所设计的吸波体进行加工和测试,实验结果与仿真结果吻合良好,验证了设计的有效性。

抗方阻波动的超宽带轻薄频率选择表面吸波体

满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大,且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化.为此,本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理,提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法.在此基础上,提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法,结合弯折小型化设计,获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体.该FSS吸波体在TE和TM极化下,90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz(相对带宽173%),厚度仅为0.093λ_(L).TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°,而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°.当每层FSS方阻在12—30Ω/sq范围内波动时,吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%.实验测试结果与仿真结果基本吻合,证明了所提方法的有效性.

透明可开关的超宽带频率选择表面电磁屏蔽研究

高频电磁波主要通过玻璃门窗进入建筑物内部,设计具有光学透明且屏蔽功能可开关的超宽带电磁屏蔽体,对同时需要电磁安全和采光的特定场所具有重要工程应用价值.本文利用液态金属的流动性,提出了一种透明可开关电磁屏蔽体的设计新思路.利用液态金属流动性作为电磁屏蔽的切换开关,利用其导电性及Ω型频率选择表面(FSS)结构设计实现超宽带电磁屏蔽.该FSS结构由三层透明材料构成,中间层为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),顶层和底层为聚二甲基硅氧烷(PDMS),且其中嵌有正交排列的Ω型微通道.通过对微通道中注入液态金属,可将该FSS结构的频率响应从全通状态切换到带阻状态.双层Ω型微通道设计可增强液态金属的流动性并减半其用量,同时实现18.1 GHz以下(覆盖P,L,S,C,X和Ku波段)超宽带电磁干扰抑制,且具有高达80°的极化角度稳定性.所设计的FSS电磁屏蔽结构单元81%的面积未覆盖金属,可获得良好的光学透明性.通过仿真计算TE和TM两种极化方式下的反射系数和吸收率,深入分析了所设计结构的超宽阻带和高角度稳定性机理.对所设计结构进行制备和实验测试,测试结果与仿真结果基本吻合,验证了所设计FSS结构的超宽带电磁屏蔽性能.

超宽带薄型频率选择表面吸波体设计

设计了一种新型集总电阻加载超宽带薄型频率选择表面(FSS)吸波体。该吸波体使用单层单谐振FSS损耗层结构,具有厚度薄、宽带吸波且极化稳定的特点。FSS损耗层单元结构采用非单元中心对称轴集总电阻加载方法,并结合非均匀金属导带宽度和圆顶枝节加载设计有效拓宽了吸波带宽。该吸波体的等效电路分析及全波仿真结果均表明该结构在6.0~26.77 GHz频段内对电磁波吸波率能够达到90%,相对带宽达到126.8%。该吸波体总厚度为0.086λ_(L)(λ_(L)为吸波频段最低频率对应波长),仅为Rozanov理论极限厚度的1.09倍。对该吸波体进行加工与测试,实测结果与仿真结果一致,验证了设计的有效性。

基于可切换频率选择表面的微波加热数值研究

为解决微波加热中普遍存在的加热不均匀问题,已提出模式搅拌器、旋转转盘等机械转动方法来改变加热物体中的电场分布,从而提高加热均匀性。然而,机械转动的方法往往使得仿真计算困难并且会增加微波系统的复杂性。因此,本文提出一种应用于微波加热的可切换频率选择表面,其工作频率为2.45 GHz,通过调整PIN二极管的开关状态来改变电场分布,将不同状态下的频率选择表面在时间上进行联合并加热,可以明显提高加热均匀性和效率。计算结果表明,该频率选择表面在导通和关闭状态下的传输系数分别为-32.10 dB和-0.16 dB,能将均匀性提高43%,加热效率提高42%,有望广泛应用于工业领域。

大入射角双极化频率选择表面设计

频率选择表面(FSS)在多频接收系统中具有广泛的应用,并在不少情形下需要大角度入射和分极化接收。采用十字金属线和贴片设计了一款双极化工作的FSS,能够实现在45°角入射的情况下,透射(55±5)GHz、同时反射(33±5)GHz的信号;且透射的(55±5)GHz信号为垂直极化,反射的(33±5)GHz信号为平行极化,实现了双频带和双极化接收。利用印制电路板技术对该FSS进行样品加工,采用自由空间法进行测试。测试结果与仿真结果具有很好的吻合度。

基于液态金属的柔性可重构频率选择表面

传统的频率选择表面(FSS)不仅电磁特性固定、功能单一,而且大都采用硬质材料,难以适应复杂多变的电磁环境和实现曲面物体的共形贴附。提出一种基于柔性复合材料的多层级联可重构频率选择表面,分别利用柔性聚合物的可弯曲性实现器件的共形、液态金属的流动性,以实现频率重构。首先,从多层级联互补型结构可实现多频通带的特性出发,设计了一种三层方环形互补结构,包括上层填充液态金属的方环层、中间介质层和与上层结构互补的孔径型金属层。利用微流控技术,通过是否加载液态金属实现单频滤波和双频滤波的切换。其次,利用全波电磁仿真软件及等效电路模型对器件的功能进行仿真,验证了该结构具有良好的极化稳定性和角度稳定性。然后,采用软光刻工艺制作了SU-8模具,并浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为填充液态金属上层结构,用柔性印制电路板(FPCB)工艺在聚酰亚胺(PI)基底上制作了下层互补金属结构,器件整体结构厚度仅为1.537 mm,具有良好的柔性。最后,对研制的可重构频率选择表面进行了组装测试,结果显示,液态金属非填充情况下,在9.6 GHz处产生一个通频带;液态金属填充情况下,在5.8和9.9 GHz处共产生两个通频带。实验测试结果与仿真结果基本一致,利用该柔性频率选择表面实现了单频和双频带通的切换。

S波段准椭圆响应带通频率选择表面设计研究

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)在多个领域中具有重要应用价值。通过两层双行为谐振器的双方环FSS级联,实现具有准椭圆响应的FSS,不同于传统的巴特沃斯与切比雪夫型。仿真结果表明,FSS在S波段、通带至阻带单侧过渡带宽为350 MHz。设计结构与同通带二阶巴特沃斯滤波器相比,过渡带减小了30%,与三阶巴特沃斯滤波器过渡性能一致。全波仿真结果表明,设计结构工作在S频段,实现了准椭圆响应,并具有良好极化稳定性与角度稳定性。

有源频率选择表面及其电磁屏蔽应用研究进展

随着智能通信技术的发展,对高性能天线系统的需求不断增加,这些系统的可重构特性对天线电磁屏蔽设计提出了更高要求。频率选择表面(FSS)因其在电磁波调控方面的优势,成为解决天线系统电磁屏蔽问题的研究热点。有源频率选择表面(AFSS)通过引入新型材料和可调器件,实现了多功能、可调控的电磁屏蔽,相比于性能固定的传统FSS更适合于应对复杂电磁环境。文章综述了国内外关于可切换FSS、可调FSS及多功能可重构FSS的研究进展以及作者团队在该领域的主要贡献,并探讨了AFSS在天线系统电磁屏蔽设计中的应用及未来发展趋势,旨在为基于AFSS的电磁防护相关设计提供思路和指导。

基于改进的频率选择表面结构的性能分析与优化设计

研究了频率选择表面(FSS)的设计和分析的方法,旨在对FSS结构的等效电路建模、单元形状优化和性能验证展开深入探讨。介绍了十字单元的等效电路模型,并通过Matlab编程实现了等效电路分析。利用参数优化和迭代的方法,设计了具有出色的入射角稳定性和通带透波特性的阵列单元。在FSS结构的层叠设计中,选择了单层结构作为最终方案,具有适应性强、重量轻等优点,并通过实验验证了设计结构的性能,其在X波段和Ka波段的测试数据与仿真结果高度一致。

有源频率选择表面回波调制器研究

有源频率选择表面(FSS)源于对无源FSS加载有源器件,器件状态可变,因而可以调控有源FSS的响应,例如通过调节反射系数相位,构成一种数字电磁信息表面,该技术已经用于移动通信系统。如何增加传输功能,对阵列天线的回波进行调制,使相控阵功能更强,成为一个新的问题。相控阵天线回波调制与现有的电磁调控技术有本质的不同,除了要对反射波进行信息调控,还要在相当带宽、扫描空域、大功率情况下保持高传输,因而技术更加复杂,难度更大。文中重点论述了有源FSS在时域雷达散射截面调制中的一些理论性问题、关键技术、解决途径,期望对其未来发展有所帮助。

新型频率选择表面加载双极化超宽带紧耦合阵列天线

为使紧耦合阵列天线在超宽频带内实现电磁性能更佳、辐射性能更稳定的目的,提出一种新型条形频率选择表面宽角阻抗匹配层加载的双极化超宽带紧耦合阵列天线。通过高频仿真软件CST周期边界条件对阵列单元截断并进行研究分析。掌握阵元阻抗和辐射等电磁性能后,优化设计并加工出一个6×6单元的阵列天线进行实际测量。测量结果表明,该天线在2~12 GHz的频带内驻波比均小于3,驻波比带宽为10 GHz。带内辐射特性稳定,主瓣电磁能量集中,交叉极化小。工作频带内,最大增益可以达到13 dBi。该阵列天线可应用于超宽带相控阵天线领域中。

基于导波型频率选择表面的多波束透射阵

本文提出了一种由两类导波型频率选择表面组成的多波束透射阵。首先基于导波型频率选择表面,设计了两个具有180°移相稳定的透射单元。在2.89-6.98GHz的频率范围内,透射幅度大于1dB,相位误差在±30°以内。然后,基于1比特数字编码理论,确定了在5GHz中心频率下30°波束偏转的相位分布。所设计的阵列大小为8λ_(0)×8λ_(0)×0.93λ_(0)(其中λ_(0)为5GHz下的自由空间波长),仿真结果表明,可在4.5GHz至6.5GHz范围内实现波束扫描,涵盖范围为20°至35°。

基于频率选择表面的三通带太赫兹滤波器的设计与分析

目前三通带太赫兹滤波器存在通带带宽差异大的问题。为了提高太赫兹滤波器三通带的带宽均匀性,设计了一款基于频率选择表面的三通带太赫兹滤波器,其结构由三个嵌套式“十”字环金属贴片、“十”字金属贴片和聚酰亚胺衬底三层结构组成。当太赫兹波垂直入射到滤波器表面时,在0.1~0.862 THz范围内形成三个滤波通带,各通带的峰值透射系数约为0.9,具有较好的通带性能,并且通带之间的传输零点的透射系数都在0.07以下,带外抑制良好。各通带的3 dB带宽的最大通带比约为1.29,10 dB带宽的最大通带比约为1.13,具有较好通带均匀性。三个工作通带的矩形系数均大于1.7,通带边沿陡峭,频率选择性良好。该滤波器具有透射系数高、带宽差异小、结构简单和易于加工等特点,其在太赫兹的多信道通信领域具有广阔的应用前景。

织物基柔性频率选择表面材料的研究进展

介绍了织物基柔性频率选择表面(FSS织物)的应用基础及其在天线、频率选择通信窗和吸波材料等方面的应用。阐述了FSS织物的3种成形方法,包括直接在织物上形成周期性导电图案、先形成周期性导电图案再与织物复合、导电层先与织物复合再形成周期性图案。其中,直接在织物上形成周期性导电图案是主流方法。3种方法形成的金属层FSS图案都存在金属与织物拉伸伸长不匹配的问题,容易造成金属FSS图案的断裂失效,开发具有高弹性的导电纱线是解决这一问题的有效途径。按频响特性FSS织物分为贴片型、孔径型和吸波辅助型3类。FSS织物正在由传统的单频带单层结构向多层级联、多频带、极化和角度不敏感、动态可调吸波结构发展。

超薄全极化大角度稳定的“蛇形”吸透超构表面

提出了一种具有吸波-透波-吸波(Absorption-Transmission-Absorption,A-T-A)的频率选择超构表面,具有超薄剖面低、全极化和大宽角稳定的电磁特性等优点。在结构的损耗层上,构造了由“蛇形”金属曲折线、金属曲折线终端加载金属贴片和集总电阻组成的有耗串联谐振结构,以吸收电磁能量。给出了该超构表面的电磁模型和等效电路模型,并对该超构表面进行了加工和测试。测试出的透波频带(S_(11)≤-10 dB和S21≥-3 dB)在12.9~14.3 GHz附近。两个吸波频带(S_(11)≤-10 dB和S21≤-10 dB)分别在8~12.3 GHz和15.1~18 GHz附近,低于-10 dB的反射压制带宽(S_(11)≤-10 dB)为8~18 GHz。实测结果表明,在0°~45°的大入射角范围内,当两种线极化波(TE波和TM波)和圆极化波入射该超构表面时,均呈现传输和反射性能稳定的特性。该超构表面可应用于雷达隐身天线罩或电磁兼容领域的干扰抑制屏中。

一种具有陡降特性的宽带带通频率选择表面结构设计

设计并分析了一种采用级联结构的双极化宽带带通频率选择表面(frequency selective surface, FSS)结构。该结构由3层金属层和2层介质基板构成,其中,顶部和底部的金属层由2个金属同心圆环构成;中间金属层由十字形金属和金属方环共同组成。接着,采用小型化技术对FSS单元结构尺寸进行优化,最终的单元尺寸达到0.165λ×0.165λ(λ为中心频率对应的波长)。最后,通过等效电路和全波电磁仿真方法对FSS结构的工作机理和不同入射角度下的TM和TE等2种极化的电磁波传输特性进行了分析。研究结果表明:该FSS结构在-入射角范围内,3 dB传输功率通带宽度为3.77~9.46 GHz,覆盖C波段的同时,在4.8~9.5 GHz通带内插入损耗均小于0.5 dB,且二维陡降型频率选择表面的矩形参数为0.78。所设计的FSS结构具有良好的极化一致性和角度稳定性,并且在高频处具有良好的陡降特性。该FSS结构可应用于宽带带通曲面共型天线罩的设计。

用于卫星通信系统中的Ka频段频率选择表面

Ka频段的卫星通信系统利用26.5 GHz至40 GHz的频谱范围,通过卫星传输信号实现高速数据通信、互联网接入以及遥感应用。该系统利用高频率的优势,实现较大带宽和高传输速率,满足现代通信需求。在空间信息传输、支持偏远地区互联网接入以及提供高分辨率数据方面发挥着重要作用。同时,频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)作为一种空间滤波器,在卫星通信系统中具有多种应用,为系统性能提升和信号优化提供了关键技术支持。本文对FSS在卫星通信系统中的应用进行研究,并提出了一种Ka频段频率选择表面。

一种可调超宽带带阻型频率选择表面

基于液晶材料的介电常数可调特性,在圆环槽型结构的基础上设计了一款谐振频率可重构的超宽带带阻型频率选择表面。仿真结果表明,该频率选择表面单元的-10 dB阻带带宽为5.33 GHz,相对带宽为32.2%,当液晶介电常数从2.4连续变化到3.2时,谐振频率由16.56 GHz向低频连续移动到15.42 GHz,在此过程中的阻带带宽保持相对稳定,且利用喇叭天线对8×8阵列的仿真结果与单元仿真结果具有较好的一致性。