2.5维周期结构电磁特性研究

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随着信息技术的持续发展,电子设备所处电磁环境的复杂度日益提升。应用于电磁兼容、能量屏蔽等领域的周期结构也成为学术研究的热点。其中超高频(Ultra High Frequency,UHF)频段周期结构在小型化过程中的带宽拓展一直是设计的难点。本文针对频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)和FSS吸波体,利用2.5维金属化过孔实现单元小型化的设计思路,对其带宽拓展设计方法展开研究,主要工作与研究成果如下:
  (1)基于金属化过孔连接多层贴片和贴片弯折与过孔引入相结合的思路,提出了双层介质结构和平行正交贴片结构的设计方法。通过引入多层介质,增加贴片层数,拓展闭合环路的电长度,设计了一款基于双层介质的2.5维FSS,谐振频率为2.014GHz,单元尺寸为0.034λ×0.034λ,相对带宽为 22.8%。通过提升贴片离散化程度,增加过孔数量,设计了一款基于平行正交贴片的2.5维FSS,谐振频率稳定在1.768GHz,单元尺寸缩减至0.032λ×0.032λ,相对带宽为14.4%。仿真结果表明,两款2.5维FSS具有良好的极化与角度稳定性。
  (2)基于增强单元耦合,拓展带宽的思路,提出了2.5维单元交错排布的设计方法,降低2.5维单元间距,设计了一款基于扣锁结构的宽带小型化2.5维FSS,谐振频率为2.265GHz,单元尺寸为0.033λ×0.033λ。仿真结果表明,传输系数低于-10dB的阻带为1.255GHz至3.515GHz,相对带宽达到94.8%。相较于未进行交错排布的结构,FSS相对带宽提升了179.6%,具有良好的极化与角度稳定性。加工实测结果与仿真结果吻合良好,验证了 2.5 维单元交错排布的设计方法对FSS带宽的提升。
  (3)基于电阻型FSS设计吸波体的方法,在2.5维方环中加载电阻形成电阻型FSS,设计基于2.5维方环的FSS吸波体,吸收率高于90%的频带为815~1023MHz。然后进行单元交错排布,设计基于2.5维方环交错排布的FSS吸波体,在802~1062MHz的频率范围内吸收率高于90%,单元交错排布后吸波带宽拓展了25%。进而在覆盖超高频射频识别(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification,UHF-RFID)系统频段的基础上,降低吸波体厚度,设计了一款基于2.5维方环交错排布的低剖面FSS吸波体。吸波体吸收率高于90%的频带为830~970MHz,吸波体厚度为14mm,仅为谐振频率(893MHz)工作波长的0.042倍。加工实测结果与仿真结果吻合良好,验证了2.5维单元交错排布拓展吸波体带宽的正确性。
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