谐振型微波光子晶体电磁特性研究及其在天线中的应用

论文题目: 谐振型微波光子晶体电磁特性研究及其在天线中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 电子科学与技术

作者: 张国华

导师: 袁乃昌

关键词: 光子晶体,谐振型微波光子晶体,高阻电磁表面,有限元法,时域有限差分法,表面波带隙,微带天线,波导口径天线,相控阵天线

文献来源: 国防科学技术大学

发表年度: 2005

论文摘要: 光子晶体是一种具有频率禁带的新型周期结构。虽然光子晶体的概念最早是在光学领域提出来的,但是它可以通过缩放尺寸的关系应用到很宽的频率范围内。由于微波频段在制备技术、测试表征手段等方面具有的优势,最近几年微波光子晶体的研究得到了迅速的发展。作为微波光子晶体的一种重要类型,本文主要针对谐振型微波光子晶体结构的电磁特性及其在微波天线中的应用进行了研究。首次明确提出了谐振型微波光子晶体结构的概念,研究了它的带隙形成机理,总结了这种微波光子晶体不同于普通Bragg型微波光子晶体的一些独特的特点。介绍了几种常见的谐振型微波光子晶体结构以及它们在微波工程中的应用。在分析方法上,根据谐振型微波光子晶体带隙特性的本征模式表征和传输参数表征两种描述方式,分别在频域和时域选取有限元法和时域有限差分法针对不同表征方式进行了仿真。对于谐振型微波光子晶体的带隙特性,两种分析手段都可以得到比较好的结果。研究了以高阻电磁表面结构为代表的谐振型微波光子晶体的电磁特性。给出了高阻电磁表面的等效媒质模型,并利用该模型比较深入的探讨了高阻电磁表面的表面波带隙形成机理。采用有限元完全匹配层法和时域有限差分法等全波分析方法对高阻电磁表面的表面波带隙进行了数值分析,并利用实验室设备搭建了测试系统,对其进行了测量。利用时域有限差分法对高阻电磁表面的反射相位进行了计算,得到了它的同相反射特性,给出了反射相位与表面波带隙的关系。从复反射系数的角度出发,阐述了高阻电磁表面可以作为人工磁导体(AMC)的性质。在普通二层高阻电磁表面的基础上,提出了几种特殊周期单元形式的高阻电磁表面光子晶体结构,在实现其低频、宽带、小尺寸方面进行了初步的探讨,获得了预期的效果。根据谐振型微波光子晶体的电磁特性,研究了以高阻电磁表面为代表的谐振型微波光子晶体在微波天线以及天线阵列中的应用。分别研究了高阻电磁表面在简单线天线、微带天线以及波导口径天线中的应用。在研究单元天线的基础上,还研究了高阻电磁表面在波导口径天线阵列中的应用,包括二元阵列、四元阵列以及多元阵列。研究表明,谐振型微波光子晶体的引入可以有效的改善天线和天线阵列的特性,主要体现在可以减小天线剖面尺寸、提高主瓣增益及降低后向和侧向辐射电平上。另外,还进一步将谐振型微波光子晶体结构应用于天线单元和阵面之间,利用其带隙特性达到了减小天线单元和天线阵面间耦合的目的。最后,对谐振型微波光子晶体在相控阵天线中的应用进行了初步的探讨。利用谐振型微波光子晶体的频率带隙抑制相控阵天线单元的互耦,改善了相控阵天线的宽角阻抗匹配,消除了相控阵天线的扫描盲点问题,从而改善天线的扫描特性。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 微波光子晶体的起源

1.1.1 什么是光子晶体?

1.1.2 光子晶体基本特性

1.1.3 微波光子晶体(电磁带隙结构)

1.2 谐振型微波光子晶体

1.3 微波光子晶体的分析方法

1.4 本文的主要内容和章节安排

1.4.1 本文的主要研究内容和方法

1.4.2 本文的结构安排

第二章 谐振型微波光子晶体结构

2.1 谐振型微波光子晶体带隙产生机理

2.2 谐振型微波光子晶体的特点

2.3 常见的谐振型微波光子晶体结构

2.3.1 高阻电磁表面(HIS)

2.3.2 共面紧凑型微波光子晶体(UC-PBG)

2.3.3 介质谐振器型微波光子晶体

2.4 谐振型微波光子晶体在微波工程中的应用

2.4.1 谐振型微波光子晶体在微波电路与传输线中的应用

2.4.2 谐振型微波光子晶体在微波天线中的应用

2.5 小结

第三章 谐振型微波光子晶体电磁特性的数值分析方法

3.1 微波光子晶体数值分析方法概述

3.2 有限元完全匹配层法(FE-PML)

3.2.1 各向异性媒质完全匹配层

3.2.2 FE-PML方程

3.2.3 试探函数和矩阵单元

3.2.4 FE-PML方法分析谐振型微波光子晶体本征能带

3.3 时域有限差分法(FDTD)

3.3.1 时域有限差分法基本原理

3.3.2 时域有限差分法的相关技术

3.3.3 FDTD方法分析谐振型微波光子晶体传输特性

3.4 小结

第四章 谐振型微波光子晶体的电磁特性

4.1 高阻电磁表面的等效媒质模型

4.1.1 等效并联LC谐振电路

4.1.2 等效电容和等效电感的计算

4.1.3 等效媒质模型存在的问题

4.2 高阻电磁表面的表面波带隙

4.2.1 阻抗表面上的表面波

4.2.2 高阻电磁表面表面波带隙的定性解释

4.2.3 表面波带隙的宽度

4.2.4 表面波带隙的全波分析

4.2.5 表面波带隙的测量

4.3 高阻电磁表面的同相反射

4.3.1 复阻抗表面的反射

4.3.2 高阻电磁表面的表面阻抗和反射相位

4.3.3 反射相位的FDTD计算

4.3.4 反射相位与表面波带隙的关系

4.4 人工磁导体(AMC)

4.5 特殊结构的高阻电磁表面

4.5.1 交指型结构

4.5.2 交互嵌入式结构

4.5.3 齿化边缘结构

4.6 小结

第五章 谐振型微波光子晶体在微波天线及阵列中的应用

5.1 采用高阻电磁表面的简单线天线

5.1.1 低剖面偶极子天线

5.1.2 高阻接地面单极天线

5.2 高阻接地面微带天线

5.2.1 微带天线

5.2.2 微带天线中的表面波效应

5.2.3 高阻接地面微带天线

5.3 高阻接地面波导口径天线

5.3.1 高阻接地面波导缝隙天线

5.3.2 高阻接地面波导缝隙天线的FDTD+PMC等效分析

5.3.3 高阻接地面圆波导开口天线

5.3.4 高阻接地面圆波导介质天线

5.4 高阻接地面波导口径天线阵列

5.4.1 高阻接地面波导开口天线二元和四元阵列

5.4.2 高阻接地面波导口径天线多元阵列

5.5 谐振型微波光子晶体用于降低天线间互耦

5.5.1 微带天线间互耦

5.5.2 单脊波导缝隙阵列天线间互耦

5.6 小结

第六章 谐振型微波光子晶体改善相控阵天线扫描特性

6.1 相控阵天线中的单元互耦

6.2 谐振型微波光子晶体改善波导端头缝隙相控阵宽角阻抗匹配

6.2.1 波导端头缝隙无限相控阵天线的MOM方法分析

6.2.2 高阻接地面波导端头缝隙相控阵宽角阻抗匹配的改善

6.3 谐振型微波光子晶体改善圆波导介质相控阵有源单元方向图

6.3.1 相控阵天线的有源单元方向图

6.3.2 线性阵列有源单元方向图的改善

6.3.3 平面阵列有源单元方向图的改善

6.4 谐振型微波光子晶体消除圆波导介质相控阵扫描盲点

6.4.1 均匀直线阵扫描方向图的合成

6.4.2 高阻接地面圆波导介质相控阵天线扫描盲点的消除

6.5 小结

结束语

本文主要研究成果

后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

发布时间: 2008-05-12

参考文献

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