【摘 要】
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频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）是一种由谐振单元按二维周期性排列构成的单层/多层平面/立体结构,它对电磁波具有频率选择特性,在飞行器雷达隐身领域中有着广阔的应用。随着电磁工作环境日益复杂多变,需要主动切换或改变工作频带等电磁特性来适应外部环境变化的需求。另一方面,雷达探测技术的快速发展也使得带内透波带外吸波的吸波/透波一体频率选择表面（Absorpti
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频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）是一种由谐振单元按二维周期性排列构成的单层/多层平面/立体结构,它对电磁波具有频率选择特性,在飞行器雷达隐身领域中有着广阔的应用。随着电磁工作环境日益复杂多变,需要主动切换或改变工作频带等电磁特性来适应外部环境变化的需求。另一方面,雷达探测技术的快速发展也使得带内透波带外吸波的吸波/透波一体频率选择表面（Absorptive/Transmissive Frequency Selective Surface,ATFSS）的研究越发重要,拥有可调性能的ATFSS则能更好地对抗敌方雷达以提高自身安全。与此同时,飞行器超高速飞行时其外表面在气动加热的作用下导致温度急剧升高,传统FSS材料在实现电磁功能的同时很难承受过高的热载荷,这对FSS的高温适应性提出了新的挑战。液态金属具有良好的导热性,可用于高温环境,同时还具有良好的导电性及流动性,可实现FSS结构的改变进而实现电性能的可重构。本文针对上述挑战,使用液态金属作为FSS的导电材料,设计了三种不同形式的液态金属FSS,旨在解决实际应用中高超声速飞行器对于电磁隐身和耐高温两方面的需求。本文主要工作如下:（1）针对主动改变FSS工作频带需求,基于液态金属多层切换的方式,提出一种双层频率可重构液态金属FSS方案。利用粒子群优化算法建立其结构参数的优化模型,完成了详细结构参数设计,使FSS达到了良好的电磁和散热性能,并研制了实物样件。实验表明,该FSS在C波段及Ku波段的谐振频率分别位于5.08GHz和13.16GHz,并且工作频带的S21值最高都达到了-0.1d B,表现出了良好的传输性能。与仿真结果相比,谐振点偏移率仅为1.6%,最大偏移量为170MHz。此外,所提出的FSS兼具良好的散热性能,装置底部设置1000W平面热源的情况下,空气流动时顶部的平均温度为325℃,而当FSS工作时,液态金属在腔体中流动时顶部平均温度仅为47.4℃,可以使FSS在高温环境下正常工作。（2）针对FSS带通/带阻滤波特性需求,基于金属贴片介质内加载式结构,设计了一款带通/带阻特性可切换液态金属FSS。完成了FSS结构参数对电性能影响的敏度分析,确定最终结构参数。该FSS在C波段谐振频率为5.03GHz,S21及S11值分别为-0.31d B和-29.41d B,呈现出良好的传输性能;在Ku波段,FSS的谐振频率为12.05GHz,S21及S11值分别为-38.22d B和-0.23d B,入射波均被反射。通有液态金属情况下,此FSS结构同样展现出了良好的散热效果,与空气流动相比,FSS装置顶部的平均温度由325℃降低到了54.7℃。另外,研制了FSS实物样件,仿真和实验很好地验证了设计方案正确有效。（3）针对ATFSS通信频带可开关需求,基于金属贴片腔体内表面加载形式,研究液态金属与金属贴片的拓扑结构关系,设计了一款透波窗口开关型液态金属ATFSS。建立了低频吸波/高频透波的损耗层和传输层电路模型,辅助ATFSS的上下层结构设计。仿真表明,该ATFSS在3.1-8.9GHz频带内始终保持大于80%的吸波率,透波窗口打开时,|S21|＜3d B的频带为10.7-17.22GHz,透波峰位于14.1GHz,插入损耗为-0.47d B;透波窗口关闭时,Ku工作频段所有的电磁波均被反射。研制了ATFSS实物样件,测量结果很好地验证了上述ATFSS设计。在通信关闭的大部分时间内,ATFSS在液态金属的加载下顶部平均温度仅为78.1℃,其同样适用于高温环境下的工作。
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