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

　　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，如何實現(xiàn)高性能的FSS一直是眾多學者的研究熱點。歷史上，F(xiàn)SS的幾個研究發(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的實現(xiàn)絕大多數(shù)還是采用2.5維的平面分層結構，其所能實現(xiàn)的性能有限。近年來隨著計算機技術的飛速發(fā)展，高性能計算機的出現(xiàn)為設計高維復雜結構提供了可能，對于真正三維的FSS結構（如高阻抗表面）的研究開始興起。本文就是在采用有效的分析方法的基礎上把傳統(tǒng)的FSS設計方法和當前平面電路技術的熱點基片集成波導（Substrate?Integrated?Waveguide:?SIW）技術有效結合，提出、設計并實現(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.???仔細分析了目前為止應用于分析周期性結構的兩個主流方法，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構，對于真正的三維立體互連周期性結構無法求解。本文詳細推導了對結構通用性非常強的頻域有限差分法（Finite?Difference?Frequency?Domain：FDFD）在周期結構中的應用，并首次將FDFD和區(qū)域分解方法（Domain?Decomposition?Method：DDM）結合應用于真正三維互連周期性結構的求解。給出了區(qū)域分裂法（DDM）基本原理以及虛擬邊界條件的實現(xiàn)，詳細推導了具有一般周期特性的周期性邊界條件（PBC）在FDFD?中的具體構造。首次利用FDFD-DDM?和PBC?相結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腔體縫隙型頻率選擇表面兩種不同類型的周期性結構，通過和測試結果或成熟商業(yè)軟件的仿真結果對比證實了FDFD-DDM?方法分析周期結構的有效性。特別是對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構，模式匹配法和譜域法很難求解，因此FDFD-DDM?是一個很好的選擇，而且FDFD-DDM?與FDFD?方法相比內存和計算時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技術引入到FSS的設計當中，用上下表面有耦合縫隙的基片集成波導腔體（SIWC）結構作為周期單元，實現(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。結合柵格型縫隙SIWC-FSS?我們詳細分析了各個不同的結構參數(shù)對SIWC-FSS?性能的影響，并得到一些實用的設計規(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，測試結果和仿真結果吻合得非常好，仿真結果和試驗結果均表明這種新型的頻率選擇表面選擇特性好，對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基片實現(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型構成的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現(xiàn)SIWC-FSS。
　　3.???在單腔SIWC-FSS的基礎上，首先基于傳統(tǒng)的四分之一波長間距的級聯(lián)方法，利用全波的FDFD-DDM?和等效傳輸線電路相結合的方法實現(xiàn)了高階濾波特性的任意多腔級聯(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，得到了用于快速設計的改進經驗公式。借鑒傳統(tǒng)的級聯(lián)腔體濾波器和雙模腔體濾波的綜合設計方法，實現(xiàn)了具有單邊陡降濾波特性和準橢圓濾波特性、體積緊湊的SIWC-FSS。而后利用SIW?結構實現(xiàn)了能夠有效抑制柵瓣和表面波的具有Chebyshev響應的SIWC-FSS。為了降低設計復雜度加快設計進程我們提出了不同尺寸兩腔體級聯(lián)和并聯(lián)的方式實現(xiàn)具有雙邊陡降特性的SIWC-FSS。其中多種SIWC-FSS?進行了試驗測試，測試結果和仿真結果一致吻合，所有結果表明所提出的這幾種不同類型的SIWC-FSS?選擇特性好，對于不同的激勵性能穩(wěn)定，結構緊湊體積小，為實現(xiàn)高性能的FSS?提供了可行的解決方案。
　　4.???將SIWC-FSS的設計方法應用于多通帶FSS的設計當中。首先采用了傳統(tǒng)同心方環(huán)型縫隙和SIW?相結合的方式實現(xiàn)了具有單邊陡降特性的雙通帶SIWC-FSS，詳細討論了這種類型的SIWC-FSS?的諧振特性，得到了不同參數(shù)對其性能影響的規(guī)律。同時采用試驗對設計結果進行了驗證。測試結果表明基于這種方法設計出來的雙通帶SIWC-FSS?選擇好，對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方環(huán)型縫隙來有效的降低通帶間的頻率間隔。為了避免因為結構過于精細而無法制作加工，采用基于相鄰單元結構尺寸微擾和SIW?結合的方式實現(xiàn)了具有超窄頻帶間隔的雙通帶SIWC-FSS?；谶@種方式實現(xiàn)的雙通帶FSS?結構簡單，易于實現(xiàn)。而且它獨特的諧振特性使得設計方便，采用已有的公式可以快速有效地獲得出給定設計指標對應的幾何結構。試驗結果表明基于這種設計方法得到的雙通帶SIWC-FSS?在不同角度的平面波入射時具有穩(wěn)定的高選擇特性。
　　5.????在前面SIWC-FSS的設計基礎上，首次采用實驗驗證的方式將FSS和天線進行一體化集成設計。通過采用在傳統(tǒng)的喇叭天線的口面上加載柵格型縫隙SIWC-FSS，率先實現(xiàn)濾波器和天線的雙功能集成。由于SIWC-FSS?的性能對于不同極化平面波的不同角度入射性能非常穩(wěn)定，因此通過采用FSS?設計方法初步設計出給定指標的SIWC-FSS?后，將它加載在喇叭口面經過簡單調諧就可以獲得所需要的通帶性能。試驗結果也表明這種SIWC-FSS?在平面波正入射下和在喇叭口面近場照射下響應特性幾乎一致。采用這種方式實現(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。且通過對其天線性能的測試發(fā)現(xiàn)，在通帶頻率內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艦船等武器平臺的應用。而后我們又提出了用SIW?結構在基片上實現(xiàn)了傳統(tǒng)的H?面扇形喇叭天線，并且把它和SIW?結構實現(xiàn)的兩種濾波器無縫集成一體化設計，獲得了良好的性能。采用SIW結構實現(xiàn)的H?面扇形喇叭天線易于加工實現(xiàn)各種諸如相位、幅度和口徑匹配等的改進，并提出了一種新的濾波天線的設計構思。

　　關鍵詞：??頻率選擇表面，基片集成波導，頻域有限差分法，區(qū)域分解方法，單邊陡降濾波特性，準橢圓濾波特性，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