基于圓環(huán)和雙層金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)窗電磁屏蔽方法研究.pdf

1、光學(xué)窗是精密光電儀器實現(xiàn)對外光學(xué)探測的必要信息通道，其透明性也使微波和無線電波能穿透光學(xué)窗而嚴重降低其抗電磁干擾能力，這就要求光學(xué)窗必須在保持高透明性的同時具有優(yōu)異的電磁屏蔽功能。金屬網(wǎng)柵頻率濾波技術(shù)是實現(xiàn)光學(xué)窗電磁屏蔽的有效手段，其典型結(jié)構(gòu)是單層方格金屬網(wǎng)柵。隨著雷達探測技術(shù)和精密光電儀器探測水平的不斷進步，光學(xué)窗電磁屏蔽的要求越來越嚴格，既要實現(xiàn)強電磁屏蔽效率，又要保持高透光率并盡可能不影響成像質(zhì)量。然而單層方格金屬網(wǎng)柵的透光能力和

2、屏蔽能力互相制約，無法同時具備高透光率和強電磁屏蔽效率，且其高級次衍射能量分布集中，降低了成像質(zhì)量。解決上述問題涉及一系列重要科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題，國內(nèi)外至今尚未解決，成為該領(lǐng)域的前沿性課題。
　　近年來，多種新穎形狀的頻率選擇表面單元在多個波段應(yīng)用，產(chǎn)生了優(yōu)良的帶通或帶阻濾波特性；同時，具有異常光透射、負折射率、不依賴入射角的寬帶或者窄帶濾波等特性的多層周期性穿孔金屬膜結(jié)構(gòu)也獲得了廣泛關(guān)注。這些研究進展為金屬網(wǎng)柵頻率濾波技術(shù)指

3、引了新的發(fā)展方向，例如，用具有新型網(wǎng)柵單元的雙層或者多層網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)來改善傳統(tǒng)單層方格金屬網(wǎng)柵的光電性能。目前對于頻率選擇表面和多層周期性穿孔金屬膜結(jié)構(gòu)的研究多以帶通或帶阻等特性為主，研究的波長范圍接近頻率選擇表面單元的特征尺寸或者穿孔的周期。然而金屬網(wǎng)柵頻率濾波技術(shù)本質(zhì)上是頻率上的高通濾波，即具有亞毫米周期的金屬網(wǎng)柵允許波長遠小于網(wǎng)柵周期的光波透過，而屏蔽波長遠大于網(wǎng)柵周期的微波和無線電波。因此，探索新的研究方法和進行必要的實驗來研究具有

4、新型網(wǎng)柵單元的多層金屬網(wǎng)柵在高頻和低頻波段的電磁傳輸機理和光電性能具有重要意義，然而目前國內(nèi)外對此的研究報道較少。
　　本博士學(xué)位論文通過研究方格金屬網(wǎng)柵屏蔽能力與透光能力的矛盾及其雜散光集中分布的原因，提出了基于圓環(huán)和雙層金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)窗電磁屏蔽新方法，同時對方格金屬網(wǎng)柵在傾斜狀態(tài)下的透光特性和電磁屏蔽效率的精確分析方法展開研究。論文在上述各方面進行了深入的理論與實驗研究，主要內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1．為解決傳統(tǒng)方格金

5、屬網(wǎng)柵高級次衍射能量集中分布的問題，提出了一種基于圓環(huán)金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)窗電磁屏蔽方法。通過采用連續(xù)金屬圓環(huán)作為網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，均化了網(wǎng)柵衍射強度分布系數(shù)，使高級次衍射能量分布均勻。同時，該結(jié)構(gòu)減小了網(wǎng)柵單元的最大孔徑尺度，提高了微波截止頻率，使網(wǎng)柵屏蔽能力增強，并減小了網(wǎng)柵單元的覆蓋金屬面積，增大了孔隙比，使網(wǎng)柵透光能力提高。實驗結(jié)果表明，圓環(huán)金屬網(wǎng)柵的高級次衍射能量分布均勻，且與相同周期的方格金屬網(wǎng)柵相比，在透光率均為97％時，其屏蔽效率

6、提高2dB；
　　2．為解決傳統(tǒng)方格金屬網(wǎng)柵屏蔽能力與透光能力的矛盾，提出了一種基于雙層金屬網(wǎng)柵高低頻電磁耦合差異的光學(xué)窗電磁屏蔽方法。光學(xué)波段網(wǎng)柵周期遠大于波長，雙層網(wǎng)柵之間電磁耦合較弱，層距對透光性能影響甚微；而微波波段網(wǎng)柵周期小于波長，雙層網(wǎng)柵之間存在強電磁耦合，屏蔽效率隨層距的增加迅速增加，且其增加趨勢在層距達到三倍網(wǎng)柵周期之后迅速變緩。因此，通過選擇層距，可在保持網(wǎng)柵透光率不變時顯著提高其屏蔽效率。實驗結(jié)果表明，雙層圓環(huán)

7、金屬網(wǎng)柵與單層方格金屬網(wǎng)柵相比，透光率均為94%時，屏蔽效率提高了12dB，且其高級次衍射能量分布均勻；
　　3．為分析金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和傾斜角對網(wǎng)柵遠場衍射斑形狀和分布的影響，基于惠更斯-菲涅耳原理建立了傾斜金屬網(wǎng)柵的夫瑯和費衍射光強分布解析模型。分析表明，零級衍射中心位置與網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)和傾斜角均無關(guān)，網(wǎng)柵傾斜不改變零級衍射中心位置；衍射斑形狀函數(shù)在網(wǎng)柵傾斜時發(fā)生拉伸和非對稱，造成零級衍射斑形狀、高級次衍射斑的位置和形狀發(fā)生拉伸

8、和非對稱分布。實驗結(jié)果表明，該模型可準確分析金屬網(wǎng)柵傾斜時其遠場衍射特性的變化；
　　4．基于Kohin等效膜法、LZ等效電抗模型和Ulrich半實驗方法，建立了高透光率金屬網(wǎng)柵屏蔽效率分析的等效折射率模型，解析地表達了網(wǎng)柵等效折射率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界介質(zhì)折射率的關(guān)系，并用模型系數(shù)反映高透光率金屬網(wǎng)柵的屏蔽特征。該模型結(jié)合薄膜理論可精確計算電磁波任意角度入射時高透光率金屬網(wǎng)柵的屏蔽效率，分析襯底對屏蔽效率的影響。實驗表明，該模型將