无源电磁周期结构及其应用研究

论文摘要

本文主要对无源电磁周期性结构的特性进行了数值仿真,并研究了在隐身材料和微波天线方面中的应用。作为工作基础,首先建立了分析周期性结构的理论模型和数值仿真工具,研究对象为以微带基片为载体的周期性结构。利用Floquet定理,无限大周期结构可以简化为一个周期单元来计算。数值仿真方法采用周期格林函数与矩量法相结合,采用谱域导抗法得到微带结构的全三维并矢格林函数,并采用快速[Z]矩阵和[Y]矩阵插值技术来加速计算速度,遗传算法的引入可以优化周期性结构达到要求的指标。利用所建立的仿真工具,对两种无源周期型结构进行了计算,包括频率选择表面的谐振特性和光子晶体的带隙特性。各部分的主要研究内容为:(1)频率选择表面的周期单元考虑了各种几何结构,包括方形贴片、方形孔径、Eruselum振子、方形环、圆环、单分裂环、双环等,同时也考察了单元尺寸、微带介质和布阵方式等不同参数对谐振特性的影响,提出了一些新型的频率选择表面——紧凑的、加载的和分形频率选择表面。另外还研究了频率选择表面的级联和优化,以满足工程设计需求。(2)对光子晶体的带隙特性进行了研究,其中包括—维光子晶体、光子晶体传输系统和多维光子晶体等。其中重点研究了以高阻电磁表面结构为代表的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地探讨了高阻电磁表面的表面波带隙形成机理。对周期性结构在隐身材料中的应用进行了初步研究。利用周期性结构的同相反射特性作为人工磁导体,代替传统的电损耗Salisbury屏的间隔层,降低了整体厚度,同时又保持电损耗的稳定性能,为吸波材料的发展提供了一个崭新的方向。研究了光子晶体在微波天线以及天线阵列中的应用。分别研究了高阻表面在微带天线和波导缝隙天线中的应用、光子晶体覆层在微带天线中的应用和人工磁导体在口径耦合微带天线中的应用,并在研究单元的基础上,还研究了高阻表面在波导缝隙天线阵列中的应用,包括16元单脊波导天线阵和4元非对称单脊波导天线阵。研究表明,光子晶体的引入可以有效地改善天线和天线阵列的特性,主要体现在可以提高天线主瓣增益、降低后向和侧向辐射电平上以及减小天线单元和天线阵列间的耦合。最后利用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 周期性结构的介绍
• 1.1.1 什么是周期性结构?
• 1.1.2 无源阵列与有源阵列
• 1.1.3 Floquet定理
• 1.2 栅瓣图
• 1.2.1 一维周期性结构的栅瓣
• 1.2.2 二维周期性结构的栅瓣
• 1.3 本文的研究对象和方法
• 1.4 本文的主要内容和章节安排
• 第二章 周期结构的数值分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 周期格林函数
• 2.2.1 谱域格林函数法
• 2.2.2 周期结构格林函数
• 2.3 矩量法求解周期结构
• 2.3.1 矩量法原理
• 2.3.2 伽略金法
• 2.3.3 电流展开函数
• 2.3.4 解的收敛性
• 2.4 [Z]矩阵和[Y]矩阵插值技术的快速宽频带分析
• 2.4.1 应用平方内积函数的[Z]矩阵内插方法
• 2.4.2 [Y]矩阵内插方法
• 2.5 遗传算法
• 2.5.1 遗传算法的基本原理
• 2.5.2 遗传算法在电磁优化中的应用
• 2.6 小结
• 第三章 频率选择表面
• 3.1 引言
• 3.1.1 频率选择表面简介
• 3.1.2 频率选择表面的研究
• 3.1.3 频率选择表面的应用
• 3.2 频率选择表面的分析
• 3.2.1 周期矩量法
• 3.2.2 周期格林函数
• 3.2.3 广义散射矩阵
• 3.3 频率选择表面的特性
• 3.3.1 贴片型FSS的结构
• 3.3.2 孔径型FSS的结构
• 3.3.3 其他形状的FSS的结构
• 3.3.4 多层FSS的级联结构
• 3.3.5 FSS的透射特性测试
• 3.4 典型的频率选择表面
• 3.4.1 紧凑型频率选择表面
• 3.4.2 加载型频率选择表面
• 3.4.3 分形的频率选择表面
• 3.5 频率选择表面的影响因素
• 3.5.1 单元形状的影响
• 3.5.2 单元尺寸的影响
• 3.5.3 介质层的影响
• 3.5.4 布阵方式的影响
• 3.5.5 入射波的影响
• 3.5.6 级联的影响
• 3.6 用遗传算法设计频率选择表面
• 3.6.1 问题的定义
• 3.6.2 设计方案
• 3.6.3 设计实例
• 3.7 小结
• 第四章 光子晶体
• 4.1 引言
• 4.1.1 光子晶体简介
• 4.1.2 光子晶体基本特性
• 4.1.3 光子晶体的应用
• 4.1.4 光子晶体的分析方法
• 4.2 光子晶体带隙特性的表征
• 4.2.1 传输参数法
• 4.2.2 能带结构图法
• 4.3 一维光子晶体
• 4.3.1 介质反射镜
• 4.3.2 金属—介电光子晶体
• 4.3.3 Woodpile PBG
• 4.3.4 光子晶体波导滤波器
• 4.3.5 光子晶体微带线
• 4.4 多维光子晶体
• 4.4.1 平面光子晶体
• 4.4.2 介质型光子晶体
• 4.4.3 高阻表面型光子晶体
• 4.4.4 光子晶体带隙特性的测试
• 4.5 小结
• 第五章 周期结构在隐身材料中的应用
• 5.1 引言
• 5.1.1 隐身与反隐身对抗
• 5.1.2 常见的隐身技术
• 5.1.3 周期结构在隐身方面的应用
• 5.2 Salisbury屏
• 5.2.1 薄涂层的边界条件
• 5.2.2 Salisbury屏的反射系数
• 5.2.3 电路模拟器（Circuit Analog）
• 5.3 应用周期结构的Salisbury屏
• 5.3.1 问题的引入
• 5.3.2 人工磁导体
• 5.3.3 基于UC-PBG的Salisbury屏
• 5.3.4 基于高阻表面的Salisbury屏
• 5.4 吸波材料的测量
• 5.4.1 测量原理
• 5.4.2 测量实例
• 5.5 小结
• 第六章 周期结构在微波天线及阵列方面的应用
• 6.1 引言
• 6.2 光子晶体微带天线
• 6.2.1 微带天线
• 6.2.2 高阻表面的微带天线
• 6.2.3 光子晶体覆层微带天线
• 6.3 口径耦合微带天线
• 6.3.1 耦合微带天线的结构
• 6.3.2 带有人工磁导体的口径耦合天线
• 6.4 波导缝隙天线
• 6.4.1 非对称单脊波导缝隙天线的设计
• 6.4.2 高阻接地面的非对称单脊波导缝隙天线
• 6.5 光子晶体相控阵天线
• 6.5.1 辐射特性的改善
• 6.5.2 互耦的降低
• 6.5.3 扫描盲点的消除
• 6.6 小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文主要研究成果
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间取得的学术成果