法拉第笼对频率选择表面性能的影响(附件)【字数：12057】
摘 要摘 要 频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称FSS)是周期性排列的金属贴片或有缝隙的金属板。它可以在两侧或者一侧加载介质，其本质特征就是能够对不同频率、不同入射角和不同极化状态下的电磁波呈进行空间滤波。为了达到传输或者阻隔某个频段的信号这一目的，就可以通过设计频率选择表面（如带通、带阻）来实现。而在低频范围内时，各个通信频段的带宽很窄且相距很近，就需将中心谐振频率的误差降到最小，因此为了设计出性能较好的频率选择表面，必须消除各个单元间的耦合。基于此，本课题将法拉第笼结构引入到设计中以消除这种相互影响。本课题通过Ansoft HFSS软件设计出了引入法拉第笼结构的方形缝隙环频率选择表面，并分析讨论不同尺寸参数对频率选择表面性能的影响，最后分析了加载集总元件电容之后对频率选择表面性能的影响。关键词方形缝隙环；频率选择表面；法拉第笼；集总元件
目 录
第一章 绪论 1
1.1 频率选择表面概述 1
1.2 课题研究的背景及意义 3
1.3 课题研究的主要内容 4
第二章 频率选择表面理论分析方法 6
2.1 频率选择表面的原理与性能 6
2.2 频率选择表面的理论分析方法 7
第三章 频率选择表面的模式匹配分析法 10
3.1 Floquet模 10
3.2 介质加载的频率选择表面 12
3.2.1 栅瓣现象 12
3.2.2 场分析法 15
3.3 HFSS软件仿真法 18
3.3.1 Floquet 端口 18
3.3.2主从边界条件 19
第四章 基于法拉第笼结构的方形缝隙环的频率选择表面研究 21
4.1 法拉第笼对方形缝隙环频率选择表面的影响 21
4.2 不同尺寸参数的法拉第笼对频率选择表面性能的影响 28
4.3 加载集总元件对频率选择表面性能的影响 30
4.3.1 电容加载方式的选择 30
4.3.2 加载电容对频率选择表面的影响 35
结 语 38
致 谢 39 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 频率选择表面概述
频率选择表面对空间中的电磁波表现出了滤波性。它是由许多相同结构的单元按一维或二维周期性排列形成的平面结构[1]，如图1.1所示。它一般分为周期形排列的金属贴片单元和有缝隙单元的金属平板这两种类型。频率选择表面的响应特性随频率发生变化，对一些频率范围内的入射电磁波几乎全透射，而对另一些频率范围内的入射波则几乎表现出全反射的特性[2]。其频响特性受频率选择表面谐振单元的形状、结构、尺寸、周期性排列方式以及加载的介质基底的影响。具体结构如图1.2所示，构成频率选择表面的单元形式种类繁多，有中间联结型结构，有环型结构，有实心片型，还有不规则型[3]。在这些单元结构中，具有最好的频率稳定性和极化特性的是方形环、圆形片、圆形环等，十字形单元的稳定性最差。因此在实际设计频率选择表面时，必须清楚不同形状单元的不同特性，这样可以有针对性的选取合适的频率选择表面单元来获得比较理想的频率特性。构成频率选择表面的结构单元形状并不局限于图1.2中及上文中所罗列举例的，随着研究频率选择表面的不断深入，出现了越来越多新型的频率选择表面单元结构，这些单元中除了有由各种不规则的几何形状构成的之外，还有的是由基本单元组合而形成的复合单元，但是它们的工作原理都是一致的。当确定了其二维周期结构的排列方式之后，入射某一频率的电磁波时，频率选择表面将会产生谐振。假如这个频率选择表面是单极子结构，如果其长度是入射波波长的整数倍，那么一般情况下将会产生谐振。如果这个频率选择表面是方形环或者圆形环，那么可以将半个环类比成一个单极子，所以同理，如果其周长等于波长整数倍时，频率选择表面将会产生谐振。如果这个频率选择表面是方形缝隙环，为了产生强烈的谐振且结构单元较为紧凑，其环周长应大约等于一个波长，这样将会在第一谐振点处发生谐振。周期结构的排列方式有正方形排列、矩形排列以及三角形排列。介质基底的选择也很关键，它不仅起支撑的作用，更重要的是它会对频响特性也产生一定的影响。
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图1.1 频率选择表面/
图1.2 不同频率选择表面结构图
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带阻 带通 高通 低通
图1.3 频率选择表面对应的滤波特性
频率选择表面对空间电磁波呈现出跟滤波器相似的特性，如高通、低通等频响特性。通常，孔径型的单元结构频率选择表面呈现高通特性，贴片型的单元结构频率选择表面呈现低通特性。图1.3为不同单元结构的频率选择表面与其频响特性示意图。当频率选择表面的谐振单元达到谐振状态时，贴片型的频率选择表面在产生谐振时，电磁波被全反射；缝隙型的频率选择表面在产生谐振时，电磁波被全透射。频率选择表面所研究出的成果在科学和工程等领域展现出了越来越大的应用价值，近年来越来越受到世界各国的重视。
1.2 课题研究的背景及意义
本文频率选择表面的仿真与分析是使用Ansoft HFSS软件来进行的，它们是通过模拟仿真一个基础单元并通过设置边界条件来模拟整个周期性频率选择表面的特性。这种方法是假设频率选择表面是无限大的平面，但在实际中，频率选择表面只能制作有限大小的尺寸，导致实际频率选择表面结构的谐振频率、带宽等性能与模拟仿真结果不吻合。这是由于周期边界条件是模拟无限大平面，这种条件下周期单元间的耦合与实际有限尺寸的情况不一致。而在低频范围内时，各个通信频段的带宽很窄且相距很近，就需将中心谐振频率的误差降到最小，因此为了设计出性能较好的频率选择表面，需要做的就是尽可能的减小直至消除单元间的耦合作用，这样在单元大小尺寸有限的情况下，可以设计出中心谐振频率更加精确的频率选择表面。因此本文将法拉第笼这一结构引入到设计中以消除这种相互影响。
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目 录
第一章 绪论 1
1.1 频率选择表面概述 1
1.2 课题研究的背景及意义 3
1.3 课题研究的主要内容 4
第二章 频率选择表面理论分析方法 6
2.1 频率选择表面的原理与性能 6
2.2 频率选择表面的理论分析方法 7
第三章 频率选择表面的模式匹配分析法 10
3.1 Floquet模 10
3.2 介质加载的频率选择表面 12
3.2.1 栅瓣现象 12
3.2.2 场分析法 15
3.3 HFSS软件仿真法 18
3.3.1 Floquet 端口 18
3.3.2主从边界条件 19
第四章 基于法拉第笼结构的方形缝隙环的频率选择表面研究 21
4.1 法拉第笼对方形缝隙环频率选择表面的影响 21
4.2 不同尺寸参数的法拉第笼对频率选择表面性能的影响 28
4.3 加载集总元件对频率选择表面性能的影响 30
4.3.1 电容加载方式的选择 30
4.3.2 加载电容对频率选择表面的影响 35
结 语 38
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参考文献 40
第一章 绪论
1.1 频率选择表面概述
频率选择表面对空间中的电磁波表现出了滤波性。它是由许多相同结构的单元按一维或二维周期性排列形成的平面结构[1]，如图1.1所示。它一般分为周期形排列的金属贴片单元和有缝隙单元的金属平板这两种类型。频率选择表面的响应特性随频率发生变化，对一些频率范围内的入射电磁波几乎全透射，而对另一些频率范围内的入射波则几乎表现出全反射的特性[2]。其频响特性受频率选择表面谐振单元的形状、结构、尺寸、周期性排列方式以及加载的介质基底的影响。具体结构如图1.2所示，构成频率选择表面的单元形式种类繁多，有中间联结型结构，有环型结构，有实心片型，还有不规则型[3]。在这些单元结构中，具有最好的频率稳定性和极化特性的是方形环、圆形片、圆形环等，十字形单元的稳定性最差。因此在实际设计频率选择表面时，必须清楚不同形状单元的不同特性，这样可以有针对性的选取合适的频率选择表面单元来获得比较理想的频率特性。构成频率选择表面的结构单元形状并不局限于图1.2中及上文中所罗列举例的，随着研究频率选择表面的不断深入，出现了越来越多新型的频率选择表面单元结构，这些单元中除了有由各种不规则的几何形状构成的之外，还有的是由基本单元组合而形成的复合单元，但是它们的工作原理都是一致的。当确定了其二维周期结构的排列方式之后，入射某一频率的电磁波时，频率选择表面将会产生谐振。假如这个频率选择表面是单极子结构，如果其长度是入射波波长的整数倍，那么一般情况下将会产生谐振。如果这个频率选择表面是方形环或者圆形环，那么可以将半个环类比成一个单极子，所以同理，如果其周长等于波长整数倍时，频率选择表面将会产生谐振。如果这个频率选择表面是方形缝隙环，为了产生强烈的谐振且结构单元较为紧凑，其环周长应大约等于一个波长，这样将会在第一谐振点处发生谐振。周期结构的排列方式有正方形排列、矩形排列以及三角形排列。介质基底的选择也很关键，它不仅起支撑的作用，更重要的是它会对频响特性也产生一定的影响。
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图1.1 频率选择表面/
图1.2 不同频率选择表面结构图
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带阻 带通 高通 低通
图1.3 频率选择表面对应的滤波特性
频率选择表面对空间电磁波呈现出跟滤波器相似的特性，如高通、低通等频响特性。通常，孔径型的单元结构频率选择表面呈现高通特性，贴片型的单元结构频率选择表面呈现低通特性。图1.3为不同单元结构的频率选择表面与其频响特性示意图。当频率选择表面的谐振单元达到谐振状态时，贴片型的频率选择表面在产生谐振时，电磁波被全反射；缝隙型的频率选择表面在产生谐振时，电磁波被全透射。频率选择表面所研究出的成果在科学和工程等领域展现出了越来越大的应用价值，近年来越来越受到世界各国的重视。
1.2 课题研究的背景及意义
本文频率选择表面的仿真与分析是使用Ansoft HFSS软件来进行的，它们是通过模拟仿真一个基础单元并通过设置边界条件来模拟整个周期性频率选择表面的特性。这种方法是假设频率选择表面是无限大的平面，但在实际中，频率选择表面只能制作有限大小的尺寸，导致实际频率选择表面结构的谐振频率、带宽等性能与模拟仿真结果不吻合。这是由于周期边界条件是模拟无限大平面，这种条件下周期单元间的耦合与实际有限尺寸的情况不一致。而在低频范围内时，各个通信频段的带宽很窄且相距很近，就需将中心谐振频率的误差降到最小，因此为了设计出性能较好的频率选择表面，需要做的就是尽可能的减小直至消除单元间的耦合作用，这样在单元大小尺寸有限的情况下，可以设计出中心谐振频率更加精确的频率选择表面。因此本文将法拉第笼这一结构引入到设计中以消除这种相互影响。
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