Частотно-избирательная поверхность (FSS) была тщательно изучена из-за ее потенциального применения в обтекателях, отражателях антенн, поверхностях с высоким импедансом и поглотителях. В последнее время был предложен и изучен в основном новый принцип проектирования ФСС на двух уровнях. На уровне материалов диэлектрические материалы вместо металлических узоров способны обеспечить более функциональные характеристики в конструкции FSS. Кроме того, ЧСС из диэлектрических материалов могут использоваться в различных экстремальных условиях в зависимости от их электрических, тепловых или механических свойств. На уровне принципа проектирования теория метаматериала может быть использована для удобного и лаконичного проектирования FSS. В этом обзорном документе мы приводим краткий обзор последних достижений в области частотно-селективных поверхностей из полностью диэлектрических метаматериалов (ADM-FSS). Обобщен основной принцип построения АДМ-ФСС. В качестве важных инструментов приведены теория Ми и теория диэлектрического резонатора (ДР), которые ясно иллюстрируют, как они используются в конструкции FSS. Затем вводятся и рассматриваются несколько расчетных вариантов, включая ADM-FSS на основе диэлектрических частиц и ADM-FSS на основе диэлектрических сетей. После обсуждения этих двух типов ADM-FSS мы рассмотрели существующие методы изготовления, которые используются при создании экспериментальных образцов. Наконец, обсуждаются проблемы и проблемы, связанные с методами быстрого изготовления и дальнейшими аспектами развития.
1. Введение
Частотно-селективная поверхность (ЧСЧ) представляет собой разновидность периодической структуры, которую можно использовать в качестве пространственных фильтров для передачи или отражения электромагнитных (ЭМ) волн с различными рабочими частотами, поляризациями и углами падения1,2. широко исследованы и применяются в областях микроволнового и миллиметрового диапазона для создания обтекателей, отражателей антенн, поверхностей с высоким импедансом, а также ЭМ-экранов и поглотителей. или их комплементарные структуры, напечатанные на подложке. Для практических приложений с ограниченным пространством субволновые элементы вместо гораздо более крупных традиционных элементов были предложены для проектирования миниатюрных элементов FSS. концепция метаматериала.10–13 В качестве альтернативы металлическим ФСС диэлектрические материалы могут использоваться для проектирования и изготовления ЧСС или фильтров. На самом деле, изучение использования диэлектриков в конструкции фильтров может начаться несколько десятилетий назад. Бертони и др.14,15 изучали частотно-селективные свойства пропускания периодически модулируемого диэлектрического слоя, который имеет меньшие потери на поглощение по сравнению с металлическими экранами в миллиметровых частотах. Парк и др. 16–18 представили волновод с диэлектрической решеткой для изучения фильтров, что вдохновило исследователей на разработку полностью диэлектрической фильтрации через периодические структуры в каркасе волновода с диэлектрической решеткой. Magnusson et al.19–24 разработали полностью диэлектрические структуры или фильтры, основанные на управляемом резонансе в диапазоне микроволновых и оптических частот. Недавно Бартон и соавт. разработали полностью диэлектрические ЧСС на основе управляемого резонанса на СВЧ-частоте.25,26 Их полностью диэлектрические ЧСС были успешно испытаны в полосе пропускания при высоком импульсном СВЧ с мощностью 45,26 МВт/м2 и без повреждений. Эти новаторские работы вдохновили исследователей на использование диэлектрических материалов в конструкции FSS.  Диэлектрический материал представляет собой большой вид материала. Различные диэлектрические материалы обладают различными физическими свойствами, способными выполнять определенные функции в реализуемых приложениях. Например, композиционные материалы всегда обладают высокой механической прочностью, легко поддаются прецизионной механической обработке. СВЧ-керамика с близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты (КЧФ) термостабильна,27–29 что делает ее пригодной для работы при большой мощности и высокой температуре. По сравнению с металлическими субволновыми элементарными ячейками, элементарные ячейки из диэлектрических материалов могут использоваться в более различных средах. Если мы объединим эти различные свойства в конструкции ЧСС, полностью диэлектрические ЧСС будут обладать более функциональными характеристиками, что позволит разработать больше технических приложений. Среди ценных физических свойств относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрических материалов может использоваться для модуляции характеристик передачи ЭМ искусственным путем, а именно путем создания полностью диэлектрического метаматериала. Большинство диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями изготовлены из СВЧ-керамики. При использовании диэлектриков для изготовления полностью диэлектрических метаматериалов можно выбрать множество видов микроволновой керамики в соответствии с требованиями конструкции. Чжао и др.30 использовали легированный MgO Ba0:5Sr0:5TiO3 («r = 1600 ± 4:8iÞ) в качестве кубических резонаторов, связанных с металлическими проводами, для разработки полностью диэлектрического метаматериала. Лай и др.31 использовали коммерчески доступный объемный ZrO2 (чистота ¼ 94%, "r = 33 и тангенс угла потерь = 0,002) для создания отрицательной идентичности преломления через одиночные диэлектрические резонаторы (ДР). Лепети и др.32 использовали Ba0:4Sr0:6Ti0:95Mn0:05O3 ("r = 715 с 5 103 тангенс угла потерь) для проектирования и изготовления диэлектрического метаматериала. Они также экспериментально продемонстрировали резонансную эффективную диэлектрическую проницаемость, которая определяется второй модой резонансов Ми. Помимо изменения материалов, также предлагаются полностью диэлектрические элементарные ячейки метаматериала различной формы, такие как в виде палочек, 33–35 сфер, 36, 37 кубов, 38, 39  диски,40,41 и кольца,42 и т.д. Эти различные геометрии используются для генерации различных резонансных режимов, делая эффективную диэлектрическую и проницаемость отрицательными одновременно или соответственно. В рамках метаматериалов в последние годы были предложены и исследованы полностью диэлектрические метаматериальные ЧПС (АДМ-ЧПС) на основе керамических резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью. АДМ-ФСС представляет собой разновидность полностью диэлектрической ЧСС, в которой элементарные ячейки спроектированы с использованием элементов на основе метаматериалов. Ли и др. предложил ADM-FSS на микроволновых частотах на основе керамических резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью с заграждающей или полосовой характеристикой.43,44 Путем механической настройки ориентации керамических резонаторов Li et al. предложили реконфигурируемые полностью диэлектрические ЧСС с двумя соседними полосами заграждения.45 Они экспериментально показали, что ЧСС может переключаться между этими двумя полосами. Ю и др. продемонстрировал двухдиапазонный полосовой полностью диэлектрический FSS и ввел дополнительные цилиндрические DR для расширения полосы пропускания и повышения частоты среза.46 Эти работы показывают, что полосовые или заграждающие характеристики возникают из-за согласования или рассогласования импедансов, что вызвано способ связи электрического и магнитного резонансов. В этом обзорном документе у нас есть краткий обзор последних работ, касающихся ADM-FSS. Во-первых, мы суммировали основной принцип проектирования ADM-FSS. Затем даются полезные инструменты теории Ми и теории ДР, которые ясно иллюстрируют, как они используются при проектировании FSS. В соответствии с этими теориями дизайна представлены и рассмотрены несколько случаев проектирования. Здесь ADM-FSS делятся на два типа в соответствии с их составным характером, а именно ADM-FSS на основе диэлектрических частиц и ADMFSS на основе диэлектрической сети. После обсуждения этих двух типов ADM-FSS мы рассмотрели существующие методы изготовления, которые используются для создания экспериментальных образцов. Наконец, обсуждаются вопросы и проблемы, связанные с методами быстрого изготовления и дальнейшими аспектами развития. В этой статье показано, что диэлектрические материалы, особенно микроволновая керамика с высокой диэлектрической проницаемостью, являются приоритетными кандидатами на текущем этапе для изготовления ADM-FSS с различными характеристиками передачи.
………………
5. Перспективы и выводы
Как и обычные металлические FSS, ADM-FSS потенциально могут применяться в обтекателях, отражателях антенн, поверхностях с высоким импедансом и поглотителях. На данном этапе СВЧ-керамика с высокой диэлектрической проницаемостью является приоритетным кандидатом для изготовления АДМ-ЧСС с различными характеристиками пропускания. Для выполнения этой миссии СВЧ-керамика должна быть спечена с высокой механической прочностью. Таким образом, технологии изготовления керамики должны быть усовершенствованы. Чтобы получить четкие характеристики передачи, следует использовать методы формирования, такие как 3D-печать или печать с прямой записью, для изготовления керамических элементарных ячеек сложной формы. Эти работы имеют большое значение для развития ADM-FSS. Более того, как подчеркивается в этом обзоре, существует множество физических свойств, которые можно обнаружить у различных типов диэлектрических материалов. Диэлектрические материалы вместо металлических узоров позволяют добиться более функциональных характеристик конструкции ЧСС. Путем выбора подходящих диэлектрических материалов в ближайшем будущем должны быть предложены и изучены многофункциональные ADM-FSS для более практических применений. Например, керамика с высокой диэлектрической проницаемостью при высоких температурах может способствовать полезному применению в экстремальных условиях, в том числе в условиях высокой температуры, высокой мощности и сильной коррозии. Диэлектрические материалы с превосходной механической прочностью и высокой диэлектрической проницаемостью можно использовать для создания механических метаматериалов с частотно-селективными свойствами. С этим типом диэлектрического материала можно изготавливать устройства с комбинированными конструктивными и функциональными характеристиками, которые полезны для изготовления обтекателей ракет или самолетов. С прогрессом в исследованиях диэлектрических материалов68–71 могут использоваться другие типы диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью в микроволнах или даже на более высоких частотах. Например, композитные материалы, водные растворы и органические растворители являются наиболее вероятными кандидатами из-за того, что их легче формировать и изготавливать. Благодаря возможности быстрого изготовления и реконфигурации диэлектрические материалы, состоящие из водных растворов, можно использовать для изготовления ADM-FSS в легко ломающихся средах. Чем больше возможностей с диэлектрическими материалами, тем выше будут функциональные характеристики АДМ-ФСС. Применение ADM-FSS может быть расширено с развитием диэлектрических материалов. В этой статье мы приводим краткий обзор недавнего прогресса в ADM-FSS. В рамках метаматериалов для проектирования АДМ-ФСС могут быть использованы диэлектрические материалы с различной относительной диэлектрической проницаемостью. Представлено и рассмотрено несколько расчетных вариантов, включая ADM-FSS на основе диэлектрических частиц и ADM-FSS на основе диэлектрических сетей. После обсуждения этих двух типов ADM-FSS мы рассмотрели существующие методы изготовления, которые используются для создания экспериментальных образцов. Наконец, обсуждаются вопросы и проблемы, связанные с быстрым изготовлением и дальнейшими аспектами разработки. В заключение, ADM-FSS широко изучался в последнее время. В сочетании с преимуществами диэлектрических материалов ADM-FSS демонстрирует свой большой потенциал в экстремальных условиях. При дальнейшем развитии может быть реализована многофункциональная ФСС. У диэлектрических материалов большое будущее в приложениях ADM-FSS.