基于有限元法的脊波导损耗特性研究

论文摘要

自从Cohn在其论文中用解析法获得了矩形脊波导的相关特性参数以来,脊波导就因为具有较大的单模带宽和截止波长以及较小的特性阻抗获得了人们的关注,并被大量应用于微波工程、空间技术、无线通信、电子对抗和电磁兼容等领域。波导的损耗特性是选择和设计脊波导时一个及其重要的参数。但是目前对于损耗特性的研究和计算数据较少,使得脊波导的应用受到了一定限制。因此,对脊波导的损耗特性的计算和分析具有一定的工程应用价值。本文应用有限元法,在MATLAB下编程对脊波导的横截面实施三角元剖分,实现了损耗特性计算程序化,计算得到了脊波导在主模传输时不同结构参数下的损耗特性数据。论文给出了矩形、梯形、倒梯形、三角形对称双脊波导和矩形、梯形、倒梯形、三角形单脊波导的损耗特性在脊的尺寸变化和工作频率变化时的数据和变化关系曲线。计算数据与权威文献中的数据进行对比,数据吻合良好,证明了所应用方法的可行性与正确性。论文在对波导基本理论与有限元方法阐述的基础上,说明了课题研究的实际意义。研究结果表明,脊波导的损耗特性变化与结构参数和工作频率有关。随着工作频率f增大,归一化衰减常数单调递减；当工作频率f小于√3fc时,变化幅度较大,当f大于√3fc时变化幅度较小。当工作频率固定时,衰减常数随着脊间距离d的增大而减小；功率容量随着脊间距离d的增大而增大。对比各种形状脊波导的损耗特性数据发现,梯形和倒梯形脊波导有较小的衰减常数和较大的功率容量,适合微波信息传输；而三角形脊波导的衰减常数较大,单模带宽小适合用于滤波系统；对比双脊波导与单脊波导的损耗特性数据后发现,对称双脊波导的损耗特性要优于同比例的单脊波导。本文得到的损耗特性数据,将为脊波导器件在工程中的应用提供数据支持。而得到的相关结论,也将对脊波导器件的设计和潜在的应用提供一定的指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脊波导的简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究内容及意义
• 2 波导传输理论
• 2.1 波导中电磁波方程
• 2.2 导行电磁波的分类及传输特性
• 2.2.1 导行电磁波的分类
• 2.2.2 导行电磁波传输特性
• 2.3 脊波导的损耗特性
• 3 有限元分析
• 3.1 有限元法概述
• 3.2 有限元理论
• 3.2.1 区域离散化与插值函数
• 3.2.2 有限元方程组建立
• 3.3 有限元法在MATLAB下的应用
• 4 对称双脊波导损耗特性计算
• 4.1 矩形对称双脊波导损耗特性
• 4.1.1 理论分析
• 4.1.2 方法验证
• 4.1.3 损耗特性计算结果
• 4.2 梯形对称双脊波导损耗特性
• 4.3 倒梯形对称双脊波导损耗特性
• 4.4 三角形对称双脊波导损耗特性
• 5 单脊波导损耗特性计算
• 5.1 矩形单脊波导损耗特性
• 5.1.1 方法验证
• 5.1.2 损耗特性计算结果
• 5.2 梯形单脊波导损耗特性
• 5.3 倒梯形单脊波导损耗特性
• 5.4 三角形单脊波导损耗特性
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果