基于频率选择表面的空间电磁波调控与应用技术研究

CIOMP OpenIR

	基于频率选择表面的空间电磁波调控与应用技术研究
	徐阳
学位类型	博士
导师	高劲松
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	空间电磁波调控频率选择表面方波化滤波通带/阻带切换电磁波束偏折
摘要	在空间电磁波调控技术领域,无论是采用传统的光学/电磁器件,还是利用超材料、光子晶体等人工电磁媒质,其本质都是通过三维电磁结构实现对空间电磁波传播状态的调控。然而,由于其存在体积大、损耗高以及难以大面积精确加工等问题,这极大地制约了空间电磁波调控技术的发展。频率选择表面(Frequency selective surface,FSS),作为一种常见的人工电磁表面,不仅具有低剖面、低损耗等特性,而且存在加工工艺成熟、成本低廉以及易于随形贴覆等优点,现已广泛地应用于空间电磁波调控技术领域,能够实现对空间电磁波的高效调控,提升器件的集成度和实用化水平。因此,基于FSS的空间电磁波调控与应用技术研究成为信息技术领域的前沿性课题。围绕实现空间电磁波的方波化滤波、传输/截止状态的自由切换、传输方向的调控等不同应用需求,论文从对称双层级联FSS、有源FSS以及由FSS衍生出的频率选择超表面结构出发,展开了如下的研究工作:1.为了掌握FSS调控空间电磁波的物理机理,从微观的电子运动学角度出发,定性分析了FSS的工作机制;采用“电磁场理论”、“传输线理论”、“模式匹配法”、“等效网络法”以及“等效电路法”等多种定量分析方法,完成了对FSS频率响应特性的快速分析与计算,并通过探索FSS结构中的传输模式与凋落模式,掌握了其稳定的滤波条件,即FSS的工作波长应大于临界波长λ_c=max(λ_1,λ_2,λ_3)。2.对称双层级联FSS是实现方波化空间滤波的常用技术途径,然而,在其优化设计过程中面临着多尺度、多变量的计算难题。在互导纳理论基础上,论文通过建立双层级联FSS结构的自由变量间的关系,构造出耦合介质的厚度d_2、相对介电常数ε_2和互导纳与自导纳比值(\|Y~(2,1)\|/Y_(0re))之间的关系衬度图,并提出凋落模式远小于传播模式的具体判据,从而快速、准确地获得方波化双层级联FSS的初始结构参数范围。之后,结合不同入射角度和偏振模式下结构的互导纳与自导纳比值,进而获得中间层介质的最优参数。同时,针对优化设计中面临的中间耦合层介质的最优化介电常数不存在(或不易实现)的问题,基于周期波导理论,设计并制备出了等效介质柱阵列。3.针对有源FSS在上升沿(或下降沿)处电磁滤波特性较差、滤波结构与馈电网络一体化设计时工艺不可拓展的突出问题,论文采用小型化FSS上加载电控PIN二极管的方式,构造出单元尺寸约为0.2λ的有源FSS,在2.45GHz处实现了电磁通带/阻带的自由切换功能,且通带和阻带中心频点处的透过率分别为-0.6dB和-20d B。同时,巧妙地借鉴惠斯通电桥理论,设计并制备出具有单维度无限延展特性的有源FSS样件,最终解决了有源FSS馈电网络直流信号分布不均匀、大面积使用时工艺不可拓展的难题。4.实现对电磁波传输方向的调控面临着工作带宽过窄、辐射效率较低等诸多难题,论文基于电磁场边值关系,建立超表面两侧电磁场与其表面电导纳和磁阻抗分布之间的关系,并进一步确立了透射幅值与相位同表面电导纳与磁阻抗之间的关系。将对称锚状结构和对称连通开口谐振环结构相结合,设计出几乎具备完整透射幅值(0~0.9)与相位(-180°~180°)调控能力的惠更斯单元,并在该惠更斯单元的基础上,设计、制作出具有电磁波束偏折特性的频率选择超表面实验样件。测试结果表明:在6.9~7.1GHz频段范围内,超表面结构的主瓣方向均指向了方位角-57°附近,且主瓣比旁瓣强约10 dB。综上所述,本论文实现了对具有空间电磁波方波化滤波功能的双层级联FSS的快速优化设计;实现了一种具有电磁通带/阻带自由切换功能的有源FSS结构,并解决了其工艺不可拓展难题;同时,利用惠更斯单元设计出具有波束偏折特性的频率选择超表面,其具备良好的工作带宽与辐射效率。论文不仅完善了空间电磁波调控设计理论,而且拓展了其实现途径和应用领域,为基于FSS实现的空间电磁波调控技术提供重要理论依据和实验参考。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61627
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	徐阳. 基于频率选择表面的空间电磁波调控与应用技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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