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透波/阻波可调频率选择表面设计
摘要
随着无线通信、雷达隐身和电磁屏蔽等科学技术的发展，人们对具备可调频率响应特性的电磁功能结构提出了更高要求。频率选择表面（FrequencySelectiveSurface,FSS）因其在波束调控、滤波、屏蔽和透波等方面的优异性能而受到广泛关注。为了提升FSS在复杂应用环境中的灵活性与功能拓展能力，本文设计了一种基于PIN二极管的可重构频率选择表面结构，实现了对电磁波在指定频段的透波与阻波状态之间的动态切换。
论文首先基于FSS的等效电路模型与电磁理论，对典型谐振结构的频率选择特性进行分析，确立了以双层双面金属贴片结构为基础的设计方案。通过在金属贴片间嵌入PIN二极管，并结合偏置电路设计，实现对结构电流路径的开关控制。利用电磁仿真软件CST对设计结构进行了建模与性能分析，在不同极化条件和不同偏置状态下评估其S参数变化规律。仿真结果表明，在PIN二极管导通状态下，结构在4.1GHz附近具备良好的透波能力，-3dB带宽超过34%。在截止状态下，结构阻断能力显著，S21最低达-49dB，切换带宽相对值超过34.1%。所设计的结构在TE与TM极化下均具备一致的频率响应特性，展现出良好的极化稳定性。
本研究证明了基于PIN二极管加载的可重构FSS结构在中频段具有优异的透波/阻波可调性能，为智能天线罩、电磁屏蔽窗以及多频工作系统中的电磁控制器件提供了有效解决方案，也为后续开展更复杂功能FSS的研究奠定了理论与实践基础。
关键词：频率选择表面；可重构结构；PIN二极管；电磁仿真；透波与阻波特性
DesignofaReconfigurableTransmission/RejectionFrequencySelectiveSurface
Abstract
Thispaperfocusesonthedesignandperformanceanalysisofareconfigurablefrequencyselectivesurface(RFSS)basedonPINdiodes.Withtheincreasingdemandfordynamicelectromagneticregulationinmoderncommunicationandstealthtechnologies,reconfigurableFSSstructureshavebecomeanimportantresearchdirection.Theproposedstructureadoptsadual-layer,double-sidedconfigurationwithparallel-fedpatches,wherePINdiodesareembeddedtoachieveswitchingbetweentransmissionandrejectionstatesbycontrollingtheirbiasvoltage.
ThestudybeginswithatheoreticalanalysisoftheelectromagneticbehaviorofFSS,includingequivalentcircuitmodelsandresonanceprinciplesunderdifferentdiodestates.CSTStudioSuiteisusedtoconstructthemodelandperformfull-wavesimulationsunderbothTEandTMpolarizationsatnormalincidence.ThesimulationresultsshowthatwhenthePINdiodesareturnedON,thestructureexhibitsstrongtransmissionperformanceinthe3.4GHzto4.8GHzrange,withacenterfrequencyofapproximately4.1GHzanda–3dBtransmissionbandwidthof1.4GHz,correspondingtoarelativebandwidthof34.1%.WhenthediodesareturnedOFF,thestructureeffectivelysu