基于MEMS开关的有源可重构频率选择表面的研究与设计

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频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)是一种二维周期性阵列结构,在空间电磁环境中表现出带通或带阻的滤波特性,故其常作为空间滤波器来使用。FSS广泛应用于微波、红外至可见光波段,其独特的电性能使之不仅在卫星通信领域得到应用,并且在飞行器隐身技术的发展中也扮演着重要角色。对于经典的无源频率选择表面(Passive FSS)而言,加工完成后其电气性能不可改变,故其不能快速适应多变的电磁环境。有源可重构频率选择表面(Active FSS)的滤波特性可以通过外界激励的控制,使其能够很好地适应复杂的电磁环境变化,因此也成为各国频率选择表面的研究热点。本文首先研究了频率选择表面的基本概念和工作原理,介绍了频率选择表面的分类及特点,重点分析了无源结构的谐振单元形状、单元尺寸、单元间距、介质材料、入射角度、极化方式等对谐振特性的影响,并且介绍了频率选择表面的栅瓣特性及其影响。其次简略介绍了RF MEMS开关,分析了电容耦合型和金属接触型两种RF MEMS开关的工作原理、技术指标、工艺流程以及一般实现方法,并且设计仿真了一款用于有源可重构频率选择表面上的MEMS开关。接着设计一种X波段有源可重构频率选择表面,此频率选择表面能够在X波段8-9GHz、9-10GHz、0-11GHz、11-12GHz的频带内,以1GHz的瞬时带宽稳定跳变,并且通带透波率>85%、入射角范围0°-45°、带外抑制为10dB@(1-6GHz)、12dB@(14~18GHz)。基于这样的设计指标,本文提出了两种不同的设计方案:第一种方案是利用一个带通频率选择表面和三个可重构带阻频率选择表面的排列组合形成1GHz透波通带的稳定跳变,在该方案中首先设计了一种8.12GHz宽频带的新型带通频率选择表面和一种X波段1GHz带宽的小型化带阻频率选择表面,最后在带阻频率选择表面中加入RFMEMS开关实现可重构特性,通过外部激励的控制形成阻带的稳定跳变;第二种方案是直接利用带通频率选择表面的透波特性实现,在该方案中首先设计了一种X波段8-9GHz带通频率选择表面,并在此基础上加入了RF MEMS开关,构成能够在X波段四个频段内稳定跳变的有源可重构频率选择表面。最后通过对两种有源可重构频率选择表面方案的仿真性能对比,选择第二种带通跳变式有源可重构频率选择表面的设计方案进行制作加工,经过测试表明所设计的产品性能良好,满足指标要求。
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