历年博士学位优秀论文精选-中英文(7)

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　　基片集成频率选择表面的研究

　　作者姓名：罗国清

　　论文题目：基片集成频率选择表面的研究

　　作者简介：罗国清，男，1979年04月出生，2003年03月师从于东南大学洪伟教授，于2007年06月获博士学位。

　　中文摘要

　　频率选择表面(Frequency Selective Surfaces:

　　FSS)的研究与发展至今已有上百年的历史，如何实现高性能的FSS一直是众多学者的研究热点。历史上，FSS的几个研究发展高峰都伴随着有效的分析方法的提出。受限于分析方法，至今为止FSS

　　的实现绝大多数还是采用2.5维的平面分层结构，其所能实现的性能有限。近年来随着计算机技术的飞速发展，高性能计算机的出现为设计高维复杂结构提供了可能，对于真正三维的FSS结构(如高阻抗表面)的研究开始兴起。本文就是在采用有效的分析方法的基础上把传统的FSS设计方法和当前平面电路技术的热点基片集成波导(Substrate

　　Integrated Waveguide: SIW)技术有效结合，提出、设计并实现了一系列高性能的新型基片集成 FSS。本文的主要工作如下：

　　1.

　　仔细分析了目前为止应用于分析周期性结构的两个主流方法，Floquet模式匹配法和谱域法。这两种方法一般只能用于分析平面分层结构，对于真正的三维立体互连周期性结构无法求解。本文详细推导了对结构通用性非常强的频域有限差分法(Finite

　　Difference Frequency Domain：FDFD)在周期结构中的应用，并首次将FDFD和区域分解方法(Domain Decomposition

　　Method：DDM)结合应用于真正三维互连周期性结构的求解。给出了区域分裂法(DDM)基本原理以及虚拟边界条件的实现，详细推导了具有一般周期特性的周期性边界条件(PBC)在FDFD

　　中的具体构造。首次利用FDFD-DDM 和PBC

　　相结合分析了平面分层的缝隙耦合微带贴片频率选择表面和真正三维的基于基片集成波导腔体缝隙型频率选择表面两种不同类型的周期性结构，通过和测试结果或成熟商业软件的仿真结果对比证实了FDFD-DDM

　　方法分析周期结构的有效性。特别是对于有金属通孔将不同层金属表面联通的真正三维的周期性结构，模式匹配法和谱域法很难求解，因此FDFD-DDM

　　是一个很好的选择，而且FDFD-DDM 与FDFD 方法相比内存和计算时间有不同程度的减少

　　2.

　　受高阻抗表面研究成果的启发，首次将基片集成波导技术引入到FSS的设计当中，用上下表面有耦合缝隙的基片集成波导腔体(SIWC)结构作为周期单元，实现了高选择性的FSS。在保留传统缝隙型FSS的缝隙谐振模式的基础上将高选择性的腔体谐振模式引入到FSS中，两种不同模式的谐振及其相互作用使得这种新型的SIWC-FSS具有非常好的选择特性。结合栅格型缝隙SIWC-FSS

　　我们详细分析了各个不同的结构参数对SIWC-FSS 性能的影响，并得到一些实用的设计规则。用普通的微波基片制作了中心频率为13GHz

　　的栅格型缝隙SIWC-FSS，测试结果和仿真结果吻合得非常好，仿真结果和试验结果均表明这种新型的频率选择表面选择特性好，对于不同极化和不同的角度入射的平面波性能更为稳定，而且可用普通的介质基片实现，体积小，成本低。采用FDFD以及FDFD-DDM的分析方法分析了不同缝隙类型构成的SIWC-FSS特性，分析表明方环型和栅格型缝隙比较适合用于实现SIWC-

　　FSS。

　　3. 在单腔SIWC-FSS的基础上，首先基于传统的四分之一波长间距的级联方法，利用全波的FDFD-DDM

　　和等效传输线电路相结合的方法实现了高阶滤波特性的任意多腔级联SIWC-FSS，分析表明这种SIWC-FSS 具有很好的性能稳定性。详细分析了单腔方环型缝隙

　　SIWC-FSS

　　的谐振特性，得到了用于快速设计的改进经验公式。借鉴传统的级联腔体滤波器和双模腔体滤波的综合设计方法，实现了具有单边陡降滤波特性和准椭圆滤波特性、体积紧凑的SIWC-FSS。而后利用SIW

　　结构实现了能够有效抑制栅瓣和表面波的具有Chebyshev响应的SIWC-FSS。为了降低设计复杂度加快设计进程我们提出了不同尺寸两腔体级联和并联的方式实现具有双边陡降特性的SIWC-FSS。其中多种SIWC-FSS

　　进行了试验测试，测试结果和仿真结果一致吻合，所有结果表明所提出的这几种不同类型的SIWC-FSS

　　选择特性好，对于不同的激励性能稳定，结构紧凑体积小，为实现高性能的FSS 提供了可行的解决方案。

　　4. 将SIWC-FSS的设计方法应用于多通带FSS的设计当中。首先采用了传统同心方环型缝隙和SIW

　　相结合的方式实现了具有单边陡降特性的双通带SIWC-FSS，详细讨论了这种类型的SIWC-FSS

　　的谐振特性，得到了不同参数对其性能影响的规律。同时采用试验对设计结果进行了验证。测试结果表明基于这种方法设计出来的双通带SIWC-FSS

　　选择好，对于极化和入射角度的变化性能稳定性高。为了获得窄频带间隔的双通带FSS，我们采用了折叠的内方环型缝隙来有效的降低通带间的频率间隔。为了避免因为结构过于精细而无法制作加工，采用基于相邻单元结构尺寸微扰和SIW

　　结合的方式实现了具有超窄频带间隔的双通带SIWC- FSS。基于这种方式实现的双通带FSS

　　结构简单，易于实现。而且它独特的谐振特性使得设计方便，采用已有的公式可以快速有效地获得出给定设计指标对应的几何结构。试验结果表明基于这种设计方法得到的双通带SIWC-FSS

　　在不同角度的平面波入射时具有稳定的高选择特性。

　　5. 在前面SIWC-FSS的设计基础上，首次采用实验验证的方式将FSS和天线进行一体化集成设计。通过采用在传统的喇叭天线的口面上加载栅格型缝隙

　　SIWC-FSS，率先实现滤波器和天线的双功能集成。由于SIWC-FSS 的性能对于不同极化平面波的不同角度入射性能非常稳定，因此通过采用 FSS

　　设计方法初步设计出给定指标的SIWC-FSS 后，将它加载在喇叭口面经过简单调谐就可以获得所需要的通带性能。试验结果也表明这种SIWC- FSS

　　在平面波正入射下和在喇叭口面近场照射下响应特性几乎一致。采用这种方式实现的滤波天线在口面相互成30

　　度夹角的情况下仍然具有较好的滤波特性。且通过对其天线性能的测试发现，在通带频率内该滤波天线完全保留了喇叭天线的高辐射性能，在阻带频率其增益随反射系数的增大降低明显，且其在斜入射的平面波照射下RCS

　　降低明显，这些特性使得该滤波天线特别适合于飞机舰船等武器平台的应用。而后我们又提出了用SIW 结构在基片上实现了传统的H 面扇形喇叭天线，并且把它和SIW

　　结构实现的两种滤波器无缝集成一体化设计，获得了良好的性能。采用SIW结构实现的H

　　面扇形喇叭天线易于加工实现各种诸如相位、幅度和口径匹配等的改进，并提出了一种新的滤波天线的设计构思。

　　关键词： 频率选择表面，基片集成波导，频域有限差分法，区域分解方法，单边陡降滤波特性，准椭圆滤波特性，Chebyshev滤波特性,

　　双边陡降选择特性，多通带FSS，窄频率间隔，滤波天线Filtenna， H面扇形喇叭天线

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