异向介质与基于EBG的相控阵天线研究

论文摘要

以异向介质和电磁带隙(EBG)结构为代表的新型人工电磁材料是当前物理学与电磁学研究领域的前沿和热点,相关研究成果在许多领域都有巨大的应用前景。对于其特性的研究,在理论分析、数值模拟和实际应用等方面还需要不断地发展和完善。本文主要讨论了非色散和色散异向介质导行结构中的导模,研究了主轴与界面存在旋转角的各向异性异向介质及双轴各向异性回旋介质中的负折射现象,采用矩量法(MoM)分析了EBG波导端头缝隙相控阵天线的扫描盲区。本文的主要工作可以概括为:1.详细研究了非色散的异向介质平板波导中的导模。给出了各向同性异向介质平板中为实、虚横波数时的模式导行条件。讨论了导行TE波的奇模和偶模特性,采用图解法分析了不同异向介质参数情况下虚横波数导模的存在性。由于实验上制备的异向介质均是各向异性的,因而本文还构造了接地的单轴各向异性异向介质平板波导,分类讨论了介电常数张量和磁导率张量中各分量符号不同组合时的模式特性。2.讨论了各向同性色散异向介质界面及单轴各向异性色散异向介质平板波导的导行波传输特性。结果表明,这两种导行结构的模式特性与色散异向介质的工作频率密切相关。3.深入研究了电磁波在各向同性常规媒质和主轴与界面不重合的各向异性异向介质界面的反射和透射特性。根据主轴系下张量分量符号的不同组合,将媒质分为四类。讨论了不同情况下发生负折射的条件及旋转角对全反射和全透射现象的影响。当旋转角为或时,这种各向异性媒质将退化为普通各向异性异向介质,这使得文中的结论更具有一般性。0 o90o4.讨论了一种双轴各向异性回旋介质,这种材料中也可以发生负折射并且容易为目前的技术设计和制备。详细分析了TE极化波在各向同性常规介质和双轴各向异性回旋介质界面的传输特性。分类讨论了媒质参数正负号变化对全反射、垂直入射全透射和负折射的影响。得到的数值结果证实了理论分析的正确性。5.采用MoM对矩形波导端头缝隙为辐射单元的三角形排布相控阵进行了扫描盲区分析。计算了与盲区现象相关的各参数,包括中心单元反射系数,单元的阵中方向图和耦合系数。由矩量法理论证明了全阵等幅激励且反射系数相位为零(谐振)是有限阵单元方向图与中心单元反射系数描述盲区问题统一的充分条件。得到的结论有助于通过加载EBG对相控阵天线扫描盲区进行有效抑制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状与进展
• 1.2.1 异向介质
• 1.2.2 电磁带隙（EBG）结构的应用
• 1.3 本文的主要内容和写作安排
• 第二章 异向介质材料的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 平面电磁波在异向介质中的传播
• 2.3 异向介质的频率色散特性
• 2.4 平面波在常规介质与异向介质界面处的负折射
• 2.4.1 相位匹配
• 2.4.2 Snell定律
• 2.4.3 Fresnel公式
• 2.4.4 异向介质应用举例
• 2.5 平面波经异向介质平板的传输特性
• 2.5.1 理论推导
• 2.5.2 全反射和全透射条件及验证
• 2.6 异向介质平板实现完美透镜
• 2.6.1 传统透镜的分辨率极限
• 2.6.2 异向介质平板透镜二次聚焦
• 2.6.3 倏逝波放大的理论分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 异向介质平板波导中的导模
• 3.1 引言
• 3.2 分层介质中的导行条件
• 3.3 各向同性异向介质平板中的导模
• 3.3.1 导行条件求解
• 3.3.2 数值结果
• 3.4 各向异性异向介质接地平板波导中的无穷多模式
• 3.4.1 理论分析
• 3.4.2 数值结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 色散异向介质材料中的模式特性
• 4.1 引言
• 4.2 常规介质与各向同性色散异向介质界面的模式特性
• 4.2.1 导行条件求解
• 4.2.2 模式存在区域
• 4.3 单轴各向异性色散异向介质平板波导中的模式分析
• 4.3.1 导行条件推导
• 4.3.2 平板波导工作角频率范围划分
• 4.3.3 模式分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 各向异性异向介质中的电磁波传输特性
• 5.1 引言
• 5.2 电磁波在双轴各向异性异向介质界面的反射与折射
• 5.2.1 各向异性异向介质的左手特性
• 5.2.2 反常全反射与负折射
• 5.3 主轴与界面存在旋转角的各向异性异向介质中的反常波传输
• 5.3.1 各向异性异向介质的色散方程
• 5.3.2 反射与透射系数
• 5.3.3 负折射发生的条件
• 5.3.4 数值结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 双轴各向异性回旋介质中的负折射现象
• 6.1 引言
• 6.2 平面波在常规介质与双轴各向异性回旋介质界面的传输特性
• 6.2.1 全反射
• 6.2.2 全透射
• 6.2.3 后向波传输
• 6.2.4 负折射
• 6.3 数值结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 EBG波导端头缝隙相控阵天线的扫描盲区分析
• 7.1 引 言
• 7.2 三角形栅格波导端头有限缝隙相控阵的 MoM 分析
• 7.2.1 矩阵方程的建立
• 7.2.2 单元的阵中方向图、反射及耦合系数
• 7.3 波导端头缝隙相控阵的性能分析
• 7.3.1 波导端头缝隙相控阵的扫描盲点数值分析
• 7.3.2 反射系数与方向图对应关系
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 8.1 本文的主要工作
• 8.2 下一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者已发表或录用的文章及科研情况