【摘 要】
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现如今,具备电磁波选择性传输功能的高性能透明光窗的应用价值日益提高,已逐渐成为包括航空航天设备、光学探测在内的相关精密复杂领域的重要研究方向之一。传统的频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）可以实现空间电磁波的选择性传输功能,但其金属覆盖率过高而无法具备优异的光学特性;同时其工作频率也受到单元尺寸限制,较大的单元尺寸很难在有限、复杂的区域内使用。因此,设计一
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现如今,具备电磁波选择性传输功能的高性能透明光窗的应用价值日益提高,已逐渐成为包括航空航天设备、光学探测在内的相关精密复杂领域的重要研究方向之一。传统的频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）可以实现空间电磁波的选择性传输功能,但其金属覆盖率过高而无法具备优异的光学特性;同时其工作频率也受到单元尺寸限制,较大的单元尺寸很难在有限、复杂的区域内使用。因此,设计一款光学透明的小型化频率选择表面,进一步改善其光学特性及尺寸问题,对精密光学探测领域具有非常重要的意义。本文首先提出了一种基于十字环孔径FSS的小型化窄带FSS结构,研究了各项结构参数对于电磁传输性能的影响,考虑尺寸限制条件对结构参数进行了优化处理;结合等效电路法对其工作原理进行了解释,并对该结构的光电特性进行了仿真分析。随后针对小型化窄带FSS的金属图案分布设计了两种适配的金属网栅结构,对其金属部分进行栅网化处理,最终得到一种小型化窄带透明FSS结构。采用离散法构建小型化窄带透明FSS结构的光学模型分析其光学特性,采用仿真软件对其电磁传输特性进行了分析;将光电特性结果与原小型化窄带FSS结构相对比,证明了小型化窄带透明FSS结构在保持原FSS结构电磁传输特性的基础上同时具备优秀的光学特性。仿真结果表明,小型化窄带透明FSS结构小型化程度较高,结构单元尺寸与谐振中心波长比值为0.078;具备电磁波选择性传输能力,在Ku波段存在低传输损耗窄带透射峰,谐振中心频率16.2GHz,通带损耗0.89d B,3d B带宽4.5GHz;具备高透光能力,总透光率为85.9%,较栅网化处理前提升3倍左右;杂散光分布得到均化,最大高级次衍射能量较栅网化处理前降低200倍以上。采用紫外光刻技术对样件进行加工,设计实验对样件的透光特性、衍射特性与电磁传输特性进行了测试。实测结果表明,小型化窄带透明FSS结构在Ku波段内存在窄带透射峰,谐振中心频率向低频段出现少许偏移,通带损耗表现良好。同时该结构具有较好的透光特性及一定的均匀杂散光的能力,与栅网化处理前FSS结构相比光学性能得到显著提升,验证了仿真计算结果的准确性。本文提出的小型化窄带透明FSS结构满足了高性能光窗的性能设计要求,可在航空航天、精密测量、国防军事等领域发挥重要的应用价值。
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