多功能频率选择表面的研究及应用

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频率选择表面(Frequency Selective Surfaces,FSSs)凭借其独有的电磁特性,在军事和民用领域具有广泛的应用前景。本文主要研究频率选择表面在通信领域的应用,即频率选择表面天线罩的研究;以及民用建筑上的应用,即刻蚀有频率选择表面结构的节能玻璃的研究。天线作为无线通信系统中的精密器件,通常需要天线罩保护其免受外界干扰,同时由于天线自身的缺陷如增益小、二次辐射干扰等现象,可以利用多功能天线罩来解决以上问题。随着5G技术的探索和研究,对自适应波束和多波束的需求,要求大规模天线阵列的每个单元具有独立的射频通道,这就需要高性能的滤波器件,且毫米波段的射频前端空间狭小,传统的射频电路难以与天线存在于同一电路中。因此采用多功能FSS天线罩的概念,实现天线与滤波的整体控制和一体化设计,这将大大简化每个射频通道前端的设计。基于以上挑战,本文设计了一款多功能FSS天线罩,旨在设计工作频段内具有低插损特性,工作频段外具有陡峭的带外抑制特性且较宽的抑制带宽,以及具有二次谐波抑制特性的多功能FSS天线罩。首先设计具有通带特性的FSS单元结构,通过引入零点的方法实现该结构的陡峭的带外抑制和抑制带宽,接着设计具有二次谐波抑制特性的FSS结构,该设计中将通带结构和二次谐波抑制机构单独设计,目的是便于将这两种性能的结构进行单独控制,同时可以实现频段移植特性。最后将该多功能FSS天线罩与0°、15°以及45°波束扫描天线联合仿真并加工测试,测试结果表明:所设计的多功能FSS天线罩在通带具有很低的插入损耗,即对于0°天线扫描时,通带内插损可以控制到1.7dB以内,对于15°天线扫描时,通带内插损可以控制到1.3dB以内,对于45°天线扫描时,通带内插损可以控制到3.6dB以内;同时该天线罩在带外具有陡峭的抑制度和宽带近端抑制:其过渡带为0.039 f0,近端抑制带宽为0.17 f0;并且该天线罩在二次谐波频段具有20dB的抑制度。说明在未来5G应用上,该多功能FSS天线罩可以替代传统的射频前端滤波器,实现较好的滤波功能。本文还提出了将FSS单元结构应用于节能玻璃上来提高玻璃的电磁波传输效率。由于这种节能玻璃是在玻璃的表面镀上一层或多层金属合金或者金属化合物以改变玻璃的性能,使其实现保温隔热的作用。但是由于其玻璃表面的金属及金属化合物使得电磁波的传播受到阻碍。因此,本文基于ITO节能玻璃设计了双方环FSS结构,可以使所需频段的电磁波顺利通过,最终加工实测可以实现2GHz6GHz的电磁波顺利通过ITO节能玻璃,实际的传输效率为30%40%。并且刻蚀掉的涂层面积为27%,对ITO节能玻璃的节能效果影响较小。
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