电磁带隙结构小型化研究

论文摘要

光子晶体是近年来的研究热点,光子晶体的基本特性是具有光子带隙（Photonic Band-Gap,PBG）,即能够阻止一定频率范围内电磁波的传播。电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,EBG）,即应用于微波频段的PBG结构,也具有带隙特性,能够阻止电磁波在电磁带隙中的传播。EBG的这种阻带特性在微波领域得到了广泛的应用。EBG结构主要包括介质EBG、金属型EBG和金属-介质型EBG,金属型EBG和介质型EBG带隙特性好,但是它们的体积大,不适合实际实用。高阻抗表面结构作为金属-介质型EBG的一种,具有体积小的优点。它不仅具有带隙特性,而且能在一定的频带范围内实现同相反射,可以代替金属导电体用作天线的反射板,降低具有反射器天线的轮廓。缺陷地结构（Defected Ground Structure,DGS）是另外一种金属-介质型EBG,相比与其他PBG结构,它仅由一个或几个缺陷结构单元组成,带隙中心频率主要由该缺陷单元结构所决定,结构更加简单,尺寸更小。本文主要研究这两种尺寸小、实用性强的EBG结构及它们的小型化方法,最后将他们应用到天线中,改善天线的性能。本文首先详细阐述了PBG结构的基本性质和基础理论,并归纳了目前应用比较广泛的PBG结构的分析方法,详细介绍了高阻抗表面的基本理论和分析方法。然后详细分析了两种高阻抗表面:过孔型高阻抗表面和UC-PBG（Unipalar Compact Photonic Bandgap）,分析了各个参数对于其带隙的影响和实现小型化的方法,并设计了一种新的UC-PBG结构,达到了小型化的目的;详细阐述了DGS的基础理论,讨论了各个参数对于其带隙的影响,得到了DGS结构的设计方法,最后分析了DGS结构小型化方法。最后将过孔型高阻抗表面PBG结构和UC-PBG结构应用到偶极子天线和阿基米德螺旋天线,仿真所得结果与理论分析吻合得很好,证明了在上述两种天线上附加PBG结构能够有效改善天线的多项指标,同时研制了低剖面偶极子天线并对其进行了实测,和仿真结果基本符合,验证了理论研究的正确性;并将DGS结构应用到微带天线阵中,抑制了天线之间的耦合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 光子晶体的基本理论
• 2.1 光子晶体的基本性质
• 2.2 光子晶体基础理论
• 2.2.1 光子晶体的周期性描述
• 2.2.2 Bloch-Floquet原理
• 2.2.3 光子晶体中的麦克斯韦方程组
• 2.2.4 光子晶体的物理基础
• 2.2.5 微波频段PBG结构的分析方法
• 2.3 高阻抗表面的基本理论
• 2.3.1 表面波
• 2.3.2 等效媒质模型
• 2.3.3 表面阻抗
• 2.3.4 反射相位
• 2.3.5 反射相位的计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 PBG结构及小型化研究
• 3.1 带过孔的高阻抗表面
• 3.1.1 蘑菇型高阻抗表面
• 3.1.2 各项尺寸参数对高阻抗表面PBG结构性能的影响
• 3.1.3 交指型高阻抗表面光子晶体
• 3.1.4 缝隙加载高阻抗表面光子晶体
• 3.2 单面紧凑型光子晶体（UC-PBG）
• 3.2.1 经典的UC-PBG
• 3.2.2 改进型UC-PBG
• 3.2.3 螺旋型UC-PBG
• 3.3 缺陷地结构
• 3.3.1 DGS结构的特性
• 3.3.2 模型及参数提取分析
• 3.3.3 方形DGS
• 3.3.4 圆形DGS
• 3.3.5 螺旋形DGS
• 3.4 本章小结
• 第4章 PBG结构的应用
• 4.1 低剖面偶极子天线
• 4.1.1 偶极子及平面反射器
• 4.1.2 低剖面偶极子天线
• 4.1.3 螺旋型UC-PBG在低剖面偶极子天线中的应用
• 4.2 低剖面阿基米德螺旋天线
• 4.2.1 阿基米德螺旋天线的设计方法
• 4.2.2 平面螺旋天线实现单向辐射
• 4.2.3 低剖面阿基米德螺旋天线
• 4.3 光子晶体抑制天线互耦
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢