光电可调控频率选择表面

为实现频率选择表面(FSS)谐振频率的光电可调控特性,提出一种光电可调控频率选择表面.利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化,实现FSS的主动可调.理论阐述了光电导及FSS选频特性原理,采用CST软件分别仿真了"Y"形带通型、"圆"形带通型和"Y"形带阻型三种FSS在光照时的频选特性.结果表明:随着结构尺寸变化,FSS的中心谐振频率分别从18 GHz、25 GHz、20.5GHz变为20.5GHz、29GHz、16.5GHz.采用镀膜、刻蚀及电子束蒸发等技术分别制作了单元结构尺寸变化前的金属FSS,以及变化后的金属与光电导薄膜结合的FSS,并对样件进行测试,结果表明:中心谐振频率分别从18GHz、24GHz、20GHz变为20GHz、28GHz、17GHz,与仿真变化趋势基本一致.采用该方法既可实现FSS中心谐振频率的可调控,也可从结构上实现FSS带通型和带阻型的转变.     

基于频率选择表面的双层改进型互补结构太赫兹带通滤波器研究

通过仿真计算和实验研究了一种基于频率选择表面的双层改进型互补结构太赫兹带通滤波器.对四裂缝互补型电感电容式谐振单元结构进行了改进,可以在提高滤波性能的同时增加单晶石英介质衬底的厚度.利用电磁仿真技术设计并加工了中心频率为0.28 THz的带通滤波器,并利用太赫兹时域光谱仪测试了在0.1—0.6 THz范围内此滤波器的传输频谱特性,实验结果与仿真结果基本一致.结果表明,利用双层改进型互补结构可以设计出对于入射角度不敏感、带外抑制佳、边带陡峭度大、能有效抑制寄生谐振的宽带太赫兹带通滤波器,并降低了加工难度.     

基于一维金属开口谐振环的可调带通滤波器

利用等效LC谐振电路,分析了开口环的谐振频率与等效电路电参数之间的关系.区别于传统微带传输线及附属开口环结构,本文设计了两种以开口环作为传输媒介的结构.对两种结构仿真和实验测试,实现了带宽分别为300MHz和200MHz的带通滤波器的设计,并在开口谐振环外环一侧加载变容二极管及偏置电路实现通带频率的连续可调.从表面电流密度分别分析了两种结构的传输特性,在通带内,方环的传输系数比圆环高3dB,其中结构之间的等效间距是影响传输效率的一个重要因素.     

基于二氧化钒的可调谐太赫兹宽带带通滤波器

提出了一种基于二氧化钒超材料的可调谐宽带带通滤波器.仿真结果表明:该滤波器在中心频率5.19 THz处的3 dB带宽为1.71 THz,最高传输率能够达到0.77,并且在入射角0°～40°范围内具有稳定的宽带传输性能.运用谐振频率处的表面电流分布和等效电路法,阐述了其实现宽带传输的物理机制.由于二氧化钒独特的相变特性,通过改变二氧化钒的电导率,滤波器的带宽可以从1.71 THz动态调谐至2.31 THz.该滤波器具有结构设计简单、宽通带以及可调谐等特性,有望在宽带太赫兹通信、传感以及其他新兴的太赫兹领域发挥重要的作用.     

基于金属结构单元间耦合的左手材料的设计及实验验证

提出了基于金属结构单元间耦合进行左手材料设计的思想,并建立了理论分析模型.通过合理选择结构单元的结构参数并通过单元之间的耦合,使电谐振等效电路的谐振频率与磁谐振等效电路的谐振频率相等,从而最大限度地实现宽左手频带.加工、制作并测试了基于金属结构单元间耦合的左手材料.实验结果表明,测试样品具有相等的电谐振频率和磁谐振频率,其左手频带的带宽为24 GHz.实验结果与理论分析一致,验证了基于金属结构单元间耦合的左手材料设计思想. 关键词： 左手材料 单元间耦合 等谐振频率 宽频带     

ZnS光窗上增透与带通频率选择表面组合膜设计

为满足红外和雷达复合制导飞行器带外隐身的要求,设计了一种ZnS基底上的红外高通雷达带通的频率选择表面(FSS)组合膜。设计并分析了作为初始结构的电感性网栅薄膜,运用含阻抗边界条件的谱域Galerkin法分析了网栅膜基底上的开孔十字FSS结构,该结构谐振频点为31.75GHz,透射率为-0.38dB,其对应的理想导体(PEC)表面FSS的谐振频点为33GHz;为提高此组合结构的红外透射率,运用薄膜光学理论设计了由YbF3与ZnSe两种膜料组成的红外增透膜,膜层厚度为1.085μm。结合光刻与镀膜工艺制作了实验件,测试表明,该组合薄膜在测试雷达频段平均传输系数小于-7.51dB(谐振频点外),在谐振频点31.5GHz的透射率达到了-0.63dB;在长波红外平均透射率达到了87.95%。     

基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究

提出了利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面的设计思路.在C波段波导模式下通过仿真设计出高介电常数方形柱状结构,优化后使其产生宽频的负介电常数,基于等效媒质理论对该结构通阻特性进行分析研究,其传输禁带的产生途径在于介质中产生了具有类Drude谐振形式的电单极子.在相同的仿真环境下对铁氧体结构进行设计优化,调节外加偏置磁场,使铁磁谐振在相应的频点发生,产生负磁导率.利用负介电常数与负磁导率的"双负"特性规律,将两种结构进行组合,协同优化,使电磁谐振相互耦合,实现通带特性.C波段波导模式下的分析表明,两种结构在同一个频点电磁谐振耦合,可以实现"双负"通带的传输效果.在由于铁氧体的磁可调特性,通过改变外加偏置磁场,该通带可以在6—8 GHz范围内可调.对电磁场矢量分布状况和等效参数提取结果进行了数值分析研究,确定了电磁耦合的性质和形成机理,充分验证了这种方法的可行性.对该结构材料样品进行加工,并测试验证,最终实验结果与仿真结果基本一致,实现了"双负"通带的可调.该方法拓展了频率选择表面的设计思路,可用于设计多通带、可调谐频率选择表面.     

基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料

本文将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合, 提出了一种基于斜三角开口对环结构的新型宽频带低耗左手材料结构. 该结构能产生两个磁谐振, 实现两个双负频段. 研究表明, 调节单元尺寸可使两个双负频段移动重合形成一个宽频带. 理论分析、仿真和测试结果均表明, 本文提出的新形结构在9.3—13.2 GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数, 相对带宽34.7%, 损耗性能系数347.9, 实现了宽带低耗左手材料. 其研究结果对多频段、宽带低耗左手材料的设计具有重要的指导意义.     

基于双层超表面的宽带、高效透射型轨道角动量发生器

提出一种宽带、高传输效率的双层超表面,其单元结构是在介质层两边对称刻蚀结构参数相同的十字型金属贴片且将两层超表面沿y方向错位半个周期长度形成.通过引入y方向的错位,双层超表面的透射带宽得到大幅度提升.同时,采用等效电路理论分析了该双层超表面的带宽展宽机理.在此基础上,进一步结合Pancharatnam-Berry相位原理,实现了宽带轨道角动量波束生成器.实验和仿真结果表明,在11-12.8 GHz的频率范围内,器件能够将左旋圆极化波转换为携带轨道角动量的右旋圆极化波.     

小型化多层双模基片集成波导平衡带通滤波器

针对平衡滤波器小型化和高选择的应用需求,提出两种新型的多层双模基片集成波导平衡带通滤波器。首先详细分析了基于平衡端口馈电的双模基片集成波导谐振器的特性;然后根据谐振模式分布特性,设计了一种输入输出馈线同时在上层双模谐振器上的四阶平衡带通滤波器,下层双模谐振器通过十字交叉槽线结构与上层谐振器耦合,可以实现三个传输零点;又提出一种输入和输出馈线分别在上层和下层双模谐振器上的四阶平衡带通滤波器,上层和下层谐振器通过一个槽线进行耦合,可以实现两个对称的传输零点。基于提出的两种平衡滤波器结构,分别设计了一个中心频率为10 GHz的平衡带通滤波器,并进行加工和测试。测试和仿真结果一致性较好,表明了该结构可以实现小型化和高选择,并且具有很好的共模抑制特性。     

A novel polarization converter based on the band-stop frequency selective surface

A dual-passband single-polarized converter based on the band-stop frequency selective surface(FSS)with a low radar cross-section(RCS)is designed in this article.The unit cell of the proposed converter is formed by a polarization layer attached to the band-stop frequency selective surface.The simulation results reveal that the co-polarization reflection coefficients below-10 d B are achieved in 3.82–13.64 GHz with a 112.4%fractional bandwidth(the ratio of the signal bandwidth to the central frequency).Meanwhile,a polarization conversion band is realized from 8.14 GHz to 9.27 GHz with a polarization conversion ratio which is over 80%.Moreover,the 1 d B transmission window is obtained in two nonadjacent bands of 3.42–7.02 GHz and 10.04–13.91 GHz corresponding to the relative bandwidths of 68.9%and 32.3%,respectively.Furthermore,the radar cross-section of the designed structure can be reduced in the wideband from 2.28 GHz to 14 GHz,and the 10 d B RCS reduction in the range of 4.10–13.35 GHz is achieved.In addition,the equivalent circuit model of this converter is established,and the simulation results of the Advanced Design System(ADS)match well with those of CST Microwave Studio(CST).The archetype of the designed converter is manufactured and measured.The experiment results match the simulation results well,which proves the reliability of the simulation results.     

含螺旋单元频率选择表面的宽频带强吸收复合吸波体

设计和制备了含螺旋单元频率选择表面吸波片的三层复合吸波体,上层和下层均为磁性吸波片,中间层为带缺口的螺旋单元频率选择表面.复合吸波体在总厚度分别为1.4,1.7和2.0 mm时,其反射率在-10d B以下的频带宽度分别达到了9.29,6.69和7.11 GHz,与不含有频率选择表面的吸波体相比较(其他参数相同),-10d B以下反射率带宽分别提高了159.5%,69.3%和129.4%,复合吸波体在总厚度低于吸波体时,也取得了更好的反射效果.带缺口圆螺旋单元的频率选择表面嵌入吸波体中,引入了额外的吸收频带,拓宽了吸波体的反射率频带宽度.仿真分析表明嵌入频率选择表面能够改善吸波体的阻抗匹配性,进而影响其反射率.     

Study of Fabry-Perot Cavities with Metal Mesh Mirrors Using Equivalent Circuit Models. Comparison with Experimental Results in the 60 GHz Band

The equivalent circuit modelling technique is used to study the resonant frequency and Q factor of plane parallel Fabry-Perot cavities with square aperture metal mesh mirrors. Comparison of different models found in literature with experimental data in the 60 GHz band is given for thin and thick cavities. Chen's model is shown to give a good agreement with measurements, as long as the cavity is not too selective and for large enough cavity.     

Improvement on the wave absorbing property of a lossy frequency selective surface absorber using a magnetic substrate

An equivalent-circuit model is used to analyse the improvement of the wave absorbing performance of the lossy frequency selective surface(FSS) absorber by using a magnetic substrate,showing that it is possible to widen the wave absorbing bandwidth.Three pieces of magnetic substrates are prepared.According to the complex permittivity and permeability,the reflectivity of the corresponding absorber is calculated by the finite difference time-domain(FDTD) method,and the bandwidth of the reflectivity below 10 dB is optimized by genetic algorithm.The calculated results indicate that the wave absorbing performance is significantly improved by increasing the complex permeability of the substrate;the reflectivity bandwidth below 10 dB of the single layer FSS absorber can reach 3.6-18 GHz with a thickness of 5 mm,which is wider than that with a dielectric substrate.The density of the FSS absorber is only 0.92 g/cm 3.Additionally,the absorption band can be further widened by inserting a second lossy FSS.Finally,a double layer lossy FSS absorber with a magnetic substrate is fabricated based on the design result.The experimental result is consistent with the design one.     

一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备

设计了一种十字镂空的超材料结构,与传统的铁磁吸波材料相结合,实现了低频吸收频带的扩宽.仿真结果显示,吸波体在2-4 GHz范围可以实现-10 dB以下的吸收,相比于没有加载超材料的情况,吸收带宽扩展了0.5 GHz.实验结果在2.5-5.1 GHz范围内也显示了相似的吸收曲线,低于-9 dB的吸收频带有0.48 GHz的扩宽,扩展了23%.不同结构的能量损耗密度分布表明,相比于无镂空的十字结构,镂空十字结构可以增加磁场能量损耗,加强单元结构之间的耦合,降低超材料对传统吸波材料性能的破坏.探索了传统铁磁吸波材料厚度的变化对吸波体吸收性能的影响,发现由超材料引入的附加峰位置不随着吸波材料厚度的改变而明显地移动.根据这个结果,进一步设计了由两种超材料叠加组合而成的吸波体,仿真结果和实验结果均显示,在降低了1.1 mm铁磁吸波材料层厚度的情况下,使低频吸收带宽又扩展了0.9 GHz.     

0.34 THz频率选择表面带通滤波器设计

为满足太赫兹通信的需求,基于薄膜工艺和双层级联的结构,设计了一种0.34THz频率选择表面带通滤波器。利用等效电路模型分析了该滤波器的频率特性,通过仿真研究了入射角对该结构频率特性的影响,显示水平极化条件下其在低于45°入射角范围内具有较好的性能。最终按照所评估的误差容忍度加工了Jerusalem十字单元的频率选择表面样片,并进行了频率传输特性的测试与分析,结果表明:该滤波器具有较好的滤波特性。     

A flexible ultra-broadband metamaterial absorber working on whole K-bands with polarization-insensitive and wide-angle stability

For potential military applications, a flexible metamaterial absorber (MMA) working on whole K-bands with total-thickness of 3.367 mm, ultra-broadband, polarization-insensitive, and wide-angle stability is presented based on frequency-selective surface (FSS). The absorber is composed of polyvinyl chloride (PVC) layer, polyimide (PI) layer, and poly tetra fluoro ethylene (PTFE) layer, with a sandwich structure of PVC-PI-PTFE-metal plate. Periodic conductive patterns play a crucial role in the absorber, and in traditional, it is designed on the upper surface of PI layer to form LC resonance. Different from commonly absorber, all the patterns are located on the lower surface of the PI layer in this work, and hence the impedance matching and absorptivity are improved in this purposed absorber. The flexible absorber with patterns on lower surface of the PI layer is compared with that on upper surface of the PI layer, the difference and the reasons are explained by absorption mechanism based on equivalent circuit model, and surface current density and electric field distribution are used to analyze resonance peaks. Absorptivity is greater than 90% in a frequency range of 10.47 GHz-45.44 GHz with relative bandwidth of 125.1%, covering the whole Ku, K, Ka, and some of X, U bands, especially containing the whole K bands from 12 GHz to 40 GHz. Radar cross section (RCS) is reduced at least 10 dB in 11.48 GHz-43.87 GHz frequency ranges, and absorption remained about 90% when the incident angle changed from 0° to 55°. The purposed absorber is fabricated, measured, and experiment results show good agreement with theoretical analysis and numerical simulation. After bonded on outer surface of different cylinders with diameters of 200 mm and 100 mm, the absorption of MMA is approximately reduced 10% and 20% respectively, which shows good conformal character with surface of various curvatures. Due to the attractive performance on strong absorption in the whole K-bands, flexible and easy conformal, our design exhibits broad potential application in radar stealth and sensors.     

Wi-Fi频段体声波滤波器的设计

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰,设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后,将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数,以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标,使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中,为了使仿真结果更加精确,采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真,并与Mason 等效电路模型仿真结果对比,结果表明,滤波器性能有所下降,带内插损增大1.6 dB,带内纹波增大1.1 dB,带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。     

一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料

设计了一种三层宽频吸波超材料,其表层和中间层为单元尺寸不同的周期阵列结构,底层为吸波平板结构,优化后的总厚度仅为4.7 mm,并采用三维(3D)打印技术成功制备了该吸波超材料.吸波体反射率测试结果表明,在电磁波垂直入射条件下,宽频吸收峰分别出现在5.3和14.1 GHz,两峰叠加使得其在4-18 GHz频率范围内反射损耗均小于-10 dB.采用S参数反演法计算了每一层的等效电磁参数,并利用多层结构反射率公式推导得出该模型的理论反射率,理论计算结果与实测结果基本一致.通过研究能量损耗、电场分布和磁场分布揭示了吸波机理,分析表明该吸波体的宽频吸收效果源于三层结构产生的吸收带宽叠加.本文提出的吸波超材料具有良好的宽频吸收效果,尤其在低频范围吸波性能较佳,结合3D打印快速成型技术,可获得结构精细的三层吸波超材料,具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景.     

利用集总LC元件实现频率选择表面极化分离的特性

基于电磁局域谐振的路谐振理论, 将集总LC器件加载到工字形周期阵列中, 设计了一种新型频率选择表面极化分离结构. 利用等效电路法分析了不同极化时该结构的作用机制, 并采用全波分析法研究了极化方式、入射角度和集总参数对其传输特性的影响.结果表明: 所设计的结构在6.37 GHz附近具有良好的极化分离特性; 在0°–40°扫描范围内, 横电(TE) 和横磁(TM) 极化下结构传输特性均保持稳定; 通过调控集总元件LC值, 该结构在保持 TE极化方向传输特性不变的同时, 可以实现对TM传输特性的独立调节, 使设计更加灵活.该结构为极化分离器以及极化波产生器的设计提供了借鉴. 关键词： 频率选择表面 极化分离器 集总电容 集总电感