频率选择表面宽带吸波体的参数化设计与优化

摘要

频率选择表面（FSS）吸波体作为一种重要的新型结构型吸波材料，具有广阔的应用前景。系统的设计与优化方法对于推动FSS宽带吸波体的发展具有重要意义。本文研究了FSS吸波体的吸波机理及其模型的参数化方法，讨论了FSS宽带吸波体的性能评价方法、分析方法及其优化框架。通过建立合理的参数化模型，使用合适的评价与分析方法，针对单元图案、结构排布等不同的侧重点，优化设计了多种FSS宽带吸波体。论文主要研究工作如下：
　　从谐振、阻抗匹配等角度讨论了FSS吸波体的吸波原理，以传输线模型为基础定性分析了影响FSS吸波体谐振与阻抗匹配状态的各种要素，以此为基础提出FSS吸波体的模型参数化方法。FSS的单元图案尺寸、器件以及结构等均可以使用此方法参数化。
　　根据FSS宽带吸波体的性能特点，讨论并提出了能够有效评价其宽带吸收性能的评价方法，以评价函数为基础提出了FSS宽带吸波体的二维解空间描述方法。基于FSS宽带吸波体的参数化模型，有针对性地梳理与改进遗传算法在FSS优化中的应用。最后以设计、评价、分析、优化等为基础构建FSS宽带吸波体的智能优化框架。
　　研究与设计了一种4–8 GHz开关切换式FSS宽带吸波体。侧重图案参数，对开关性能进行设计与优化。以双开口环耦合图案为基础，设计具有双谐振特性的可调单元结构。提出多态联合评价遗传算法（PUE-GA）对其开关特性进行评价与优化。最终实现了OFF状态-10 dB吸收、ON状态全反射的开关切换式FSS宽带吸波体。
　　研究与设计了一种1–5 GHz超宽带连续可调式FSS宽带吸波体。侧重图案参数，对连续可调吸波性能进行设计与优化。以一种简单谐振单元为基础，优化与设计具有多谐振特性的单元图案，并在此基础上设计提出具有渐变边缘的多谐振单元图案。通过设计合理的可调器件加载和激励方式，赋予FSS吸波体双可调自由度，从而充分发挥出渐变边缘图案的多谐振特性。最终实现了1–5 GHz范围-10 dB宽带可调吸波性能。
　　研究与设计了一种具有极化无关性能的1–8 GHz超宽带连续可调式 FSS吸波体。侧重图案参数与结构层厚度，对连续可调吸波性能进行设计与优化。基于渐变边缘图案的设计思路，在保持可调性以及吸波性能的同时，通过简化、改进得到具有极化无关特性的基础图案。使用PUE-GA进行性能优化后，结合可调器件激励方法，最终在1–8 GHz超宽带范围实现了极化无关性能与-10 dB吸收性能。
　　研究与设计了一种具有极化无关性能的1–8 GHz超宽带多层结构无源FSS宽带吸波体。侧重图案参数与结构参数，对不可调宽带吸波性能进行设计与优化。通过放开两层图案加载层与电介质基底层的排列形式，搜索更适于1–8 GHz超宽带吸波的构型。使用“设计–全局优化–分析–局部优化”的优化框架，对多层结构 FSS宽带吸波体的性能进行优化。最终得到在1–8 GHz具有-10 dB吸收性能和极化无关性能的多层结构无源FSS宽带吸波体。
　　本文的研究说明，所提出的模型参数化方法以及设计、评价、分析和优化方法能用于有源和无源FSS宽带吸波体的设计与优化。所得到的多种FSS宽带吸波体在其目标频段均具有良好性能。这些研究将为隐身技术领域的应用奠定基础。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 FSS研究与应用进展

1.3 FSS设计与优化方法进展

1.4 FSS宽带吸波体的研究进展

1.5 本文主要研究内容与创新点

2 FSS吸波体的理论与模型参数化

2.1 引言

2.2 FSS吸波体的谐振及其阻抗特征

2.3 FSS宽带吸波体的设计要素

2.4 FSS吸波体模型的参数化

2.5 本章小结

3 FSS宽带吸波体的优化框架

3.1 引言

3.2 FSS宽带吸波体的性能评价

3.3 周期单元的“参数‐性能”规律

3.4 FSS参数化模型的二维解空间

3.5 基于参数化模型的智能优化方法

3.6 全局设计与局部优化框架

3.7 微波智能设计集成平台

3.8 本章小结

4 开关切换式FSS宽带吸波体

4.1 引言

4.2 模型与初始设计

4.3 基于单元尺寸与开关器件参数的优化

4.4 解空间

4.5 开关器件激励线的设计

4.6 制备、测量与分析

4.7 本章小结

5 连续可调式FSS宽带吸波体

5.1 引言

5.2 模型与初始设计

5.3 基于单元尺寸与电阻参数的优化

5.4 解空间

5.5 渐变边缘图案设计与双自由度调控设计

5.6 制备、测量与分析

5.7 本章小结

6 极化无关连续可调式FSS宽带吸波体

6.1 引言

6.2 模型与初始设计

6.3 基于单元尺寸与可调器件参数模型的优化

6.4 解空间

6.5 制备、测量与分析

6.6 本章小结

7 多层结构FSS宽带吸波体

7.1 引言

7.2 模型与初始设计

7.3 基于单元尺寸与多层结构参数的优化

7.4 制备、测量与分析

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录