可重构电磁吸透一体材料关键技术研究

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具备带内透波、带外吸波特性的隐身天线罩能有效提升军事装备中天线的带外多站隐身能力,而同时具有吸波和透波特性的吸透一体材料(absorptive frequency-selective transmission structures)作为该类隐身天线罩的设计基础,近年来被广泛关注。通过加载二极管、石墨烯或采用机械调节等可重构手段,能够实现吸透一体材料的可重构特性,使得透波窗口可以被关闭或在一定频率范围内调谐,进而提升天线的带内隐身能力,在天线隐身领域极具理论和应用价值。然而目前关于可重构吸透一体材料的研究较少,已有的设计中仍存在带宽不足、选通性差和插入损耗大等问题,限制了可重构吸透一体材料的应用范围。二维吸透一体材料通常由频率选择表面(frequency selective surface,FSS)和阻抗层叠加构成。本文从频率选择表面和吸透一体材料的透波原理出发,分析透波带宽和透波带个数的影响因素和设计方法。分析宽带频率选择表面的透波窗口切换方法,以及宽带吸透一体材料设计中吸波带不稳定的问题,给出吸透一体材料宽透波带可开关设计方法。最后研究频率选择表面的稳定调谐方法,为可调谐吸透一体材料高选通性、低插入损耗设计提供基础。主要研究内容可以归纳为以下几个方面。1.研究了单通带吸透一体材料透波带宽与阻抗层和频率选择表面之间的关联,建立了透波带宽与阻抗层中并联谐振电路参数的对应关系,提出了透波带宽的估计方法,并给出了修正系数以提高估计精度,为后续宽带可重构吸透一体材料设计提供基础。此外还提出了一种二阶多通带频率选择表面设计方法,用以拓展多通带吸透一体材料的透波带宽。2.理论推导出多阶频率选择表面的开关原理,通过在频率选择表面的最上层加载PIN二极管以改变相应谐振结构的谐振频率,实现了宽带频率选择表面在带通和全反射状态间的切换。利用该频率选择表面,配合阻抗层中的可切换并联谐振结构,提出了一种可开关吸透一体材料设计方法,拓展了材料的透波带宽。3.为了进一步拓展带宽并进行双极化设计,研究了宽带吸透一体材料的吸波带在透波窗口开关过程中的稳定性问题。结合电路模拟吸收体的一般性吸波条件,分析了材料在吸透一体状态和全吸波状态之间切换时,阻抗层与空气阻抗失配的影响,并给出了可开关吸透一体材料稳定吸波的必要条件。结合具有低Q值的频率可切换双螺旋谐振结构,提出了双阻抗层可开关吸透一体材料设计方法,将相对透波带宽提升至30%以上。采用将高频功能结构本身作为馈电网络的手段,将该设计方法拓展至双极化设计。4.提出了一种基于周期金属栅结构的液晶可调频率选择表面,给出了等效电路模型解释其工作原理。研究了将一阶响应透波窗口拓展至二阶响应的方法,以提升透波带宽。此外利用缝隙耦合结构将该设计拓展至二维结构,以降低剖面厚度。该频率选择表面具有高选通性、低插损和高稳定性等优点,为可调谐吸透一体材料的高性能设计提供了基础。
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