作者姓名：羅國(guó)清
　　論文題目：基片集成頻率選擇表面的研究
　　作者簡(jiǎn)介：羅國(guó)清，男，1979年04月出生，2003年03月師從于東南大學(xué)洪偉教授，于2007年06月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　頻率選擇表面（Frequency?Selective?Surfaces:?FSS）的研究與發(fā)展至今已有上百年的歷史，如何實(shí)現(xiàn)高性能的FSS一直是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。歷史上，F(xiàn)SS的幾個(gè)研究發(fā)展高峰都伴隨著有效的分析方法的提出。受限于分析方法，至今為止FSS的實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)還是采用2.5維的平面分層結(jié)構(gòu)，其所能實(shí)現(xiàn)的性能有限。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)高維復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了可能，對(duì)于真正三維的FSS結(jié)構(gòu)（如高阻抗表面）的研究開(kāi)始興起。本文就是在采用有效的分析方法的基礎(chǔ)上把傳統(tǒng)的FSS設(shè)計(jì)方法和當(dāng)前平面電路技術(shù)的熱點(diǎn)基片集成波導(dǎo)（Substrate?Integrated?Waveguide:?SIW）技術(shù)有效結(jié)合，提出、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一系列高性能的新型基片集成FSS。本文的主要工作如下：
　　1.???仔細(xì)分析了目前為止應(yīng)用于分析周期性結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主流方法，F(xiàn)loquet模式匹配法和譜域法。這兩種方法一般只能用于分析平面分層結(jié)構(gòu)，對(duì)于真正的三維立體互連周期性結(jié)構(gòu)無(wú)法求解。本文詳細(xì)推導(dǎo)了對(duì)結(jié)構(gòu)通用性非常強(qiáng)的頻域有限差分法（Finite?Difference?Frequency?Domain：FDFD）在周期結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并首次將FDFD和區(qū)域分解方法（Domain?Decomposition?Method：DDM）結(jié)合應(yīng)用于真正三維互連周期性結(jié)構(gòu)的求解。給出了區(qū)域分裂法（DDM）基本原理以及虛擬邊界條件的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)推導(dǎo)了具有一般周期特性的周期性邊界條件（PBC）在FDFD?中的具體構(gòu)造。首次利用FDFD-DDM?和PBC?相結(jié)合分析了平面分層的縫隙耦合微帶貼片頻率選擇表面和真正三維的基于基片集成波導(dǎo)腔體縫隙型頻率選擇表面兩種不同類(lèi)型的周期性結(jié)構(gòu)，通過(guò)和測(cè)試結(jié)果或成熟商業(yè)軟件的仿真結(jié)果對(duì)比證實(shí)了FDFD-DDM?方法分析周期結(jié)構(gòu)的有效性。特別是對(duì)于有金屬通孔將不同層金屬表面聯(lián)通的真正三維的周期性結(jié)構(gòu)，模式匹配法和譜域法很難求解，因此FDFD-DDM?是一個(gè)很好的選擇，而且FDFD-DDM?與FDFD?方法相比內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間有不同程度的減少
　　2.???受高阻抗表面研究成果的啟發(fā)，首次將基片集成波導(dǎo)技術(shù)引入到FSS的設(shè)計(jì)當(dāng)中，用上下表面有耦合縫隙的基片集成波導(dǎo)腔體（SIWC）結(jié)構(gòu)作為周期單元，實(shí)現(xiàn)了高選擇性的FSS。在保留傳統(tǒng)縫隙型FSS的縫隙諧振模式的基礎(chǔ)上將高選擇性的腔體諧振模式引入到FSS中，兩種不同模式的諧振及其相互作用使得這種新型的SIWC-FSS具有非常好的選擇特性。結(jié)合柵格型縫隙SIWC-FSS?我們?cè)敿?xì)分析了各個(gè)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)SIWC-FSS?性能的影響，并得到一些實(shí)用的設(shè)計(jì)規(guī)則。用普通的微波基片制作了中心頻率為13GHz?的柵格型縫隙SIWC-FSS，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合得非常好，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表明這種新型的頻率選擇表面選擇特性好，對(duì)于不同極化和不同的角度入射的平面波性能更為穩(wěn)定，而且可用普通的介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)，體積小，成本低。采用FDFD以及FDFD-DDM的分析方法分析了不同縫隙類(lèi)型構(gòu)成的SIWC-FSS特性，分析表明方環(huán)型和柵格型縫隙比較適合用于實(shí)現(xiàn)SIWC-FSS。
　　3.???在單腔SIWC-FSS的基礎(chǔ)上，首先基于傳統(tǒng)的四分之一波長(zhǎng)間距的級(jí)聯(lián)方法，利用全波的FDFD-DDM?和等效傳輸線電路相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了高階濾波特性的任意多腔級(jí)聯(lián)SIWC-FSS，分析表明這種SIWC-FSS?具有很好的性能穩(wěn)定性。詳細(xì)分析了單腔方環(huán)型縫隙SIWC-FSS?的諧振特性，得到了用于快速設(shè)計(jì)的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)公式。借鑒傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)腔體濾波器和雙模腔體濾波的綜合設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了具有單邊陡降濾波特性和準(zhǔn)橢圓濾波特性、體積緊湊的SIWC-FSS。而后利用SIW?結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了能夠有效抑制柵瓣和表面波的具有Chebyshev響應(yīng)的SIWC-FSS。為了降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度加快設(shè)計(jì)進(jìn)程我們提出了不同尺寸兩腔體級(jí)聯(lián)和并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)具有雙邊陡降特性的SIWC-FSS。其中多種SIWC-FSS?進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果一致吻合，所有結(jié)果表明所提出的這幾種不同類(lèi)型的SIWC-FSS?選擇特性好，對(duì)于不同的激勵(lì)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，為實(shí)現(xiàn)高性能的FSS?提供了可行的解決方案。
　　4.???將SIWC-FSS的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于多通帶FSS的設(shè)計(jì)當(dāng)中。首先采用了傳統(tǒng)同心方環(huán)型縫隙和SIW?相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了具有單邊陡降特性的雙通帶SIWC-FSS，詳細(xì)討論了這種類(lèi)型的SIWC-FSS?的諧振特性，得到了不同參數(shù)對(duì)其性能影響的規(guī)律。同時(shí)采用試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明基于這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的雙通帶SIWC-FSS?選擇好，對(duì)于極化和入射角度的變化性能穩(wěn)定性高。為了獲得窄頻帶間隔的雙通帶FSS，我們采用了折疊的內(nèi)方環(huán)型縫隙來(lái)有效的降低通帶間的頻率間隔。為了避免因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)過(guò)于精細(xì)而無(wú)法制作加工，采用基于相鄰單元結(jié)構(gòu)尺寸微擾和SIW?結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了具有超窄頻帶間隔的雙通帶SIWC-FSS?；谶@種方式實(shí)現(xiàn)的雙通帶FSS?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。而且它獨(dú)特的諧振特性使得設(shè)計(jì)方便，采用已有的公式可以快速有效地獲得出給定設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明基于這種設(shè)計(jì)方法得到的雙通帶SIWC-FSS?在不同角度的平面波入射時(shí)具有穩(wěn)定的高選擇特性。
　　5.????在前面SIWC-FSS的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，首次采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式將FSS和天線進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。通過(guò)采用在傳統(tǒng)的喇叭天線的口面上加載柵格型縫隙SIWC-FSS，率先實(shí)現(xiàn)濾波器和天線的雙功能集成。由于SIWC-FSS?的性能對(duì)于不同極化平面波的不同角度入射性能非常穩(wěn)定，因此通過(guò)采用FSS?設(shè)計(jì)方法初步設(shè)計(jì)出給定指標(biāo)的SIWC-FSS?后，將它加載在喇叭口面經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)諧就可以獲得所需要的通帶性能。試驗(yàn)結(jié)果也表明這種SIWC-FSS?在平面波正入射下和在喇叭口面近場(chǎng)照射下響應(yīng)特性幾乎一致。采用這種方式實(shí)現(xiàn)的濾波天線在口面相互成30?度夾角的情況下仍然具有較好的濾波特性。且通過(guò)對(duì)其天線性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在通帶頻率內(nèi)該濾波天線完全保留了喇叭天線的高輻射性能，在阻帶頻率其增益隨反射系數(shù)的增大降低明顯，且其在斜入射的平面波照射下RCS?降低明顯，這些特性使得該濾波天線特別適合于飛機(jī)艦船等武器平臺(tái)的應(yīng)用。而后我們又提出了用SIW?結(jié)構(gòu)在基片上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的H?面扇形喇叭天線，并且把它和SIW?結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的兩種濾波器無(wú)縫集成一體化設(shè)計(jì)，獲得了良好的性能。采用SIW結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的H?面扇形喇叭天線易于加工實(shí)現(xiàn)各種諸如相位、幅度和口徑匹配等的改進(jìn)，并提出了一種新的濾波天線的設(shè)計(jì)構(gòu)思。

　　關(guān)鍵詞：??頻率選擇表面，基片集成波導(dǎo)，頻域有限差分法，區(qū)域分解方法，單邊陡降濾波特性，準(zhǔn)橢圓濾波特性，Chebyshev濾波特性,?雙邊陡降選擇特性，多通帶FSS，窄頻率間隔，濾波天線Filtenna，?H面扇形喇叭天線