微波光子晶体电磁特性研究

论文摘要

微波光子晶体,也称为电磁带隙结构（Electromagnetic Band-Gap:EBG）,是一种具有频率禁带的新型周期结构。本文主要探索EBG结构的分析方法,对各种EBG的电磁性质进行了有效的数值仿真,研究不同结构及参数下EBG的带隙特性,以掌握其带隙与各项参数之间的内在联系,为EBG的具体设计提供指导。文中运用直线法作为主要分析方法,对各种类型的EBG进行了全面分析,其中具体分析对象包括:为平面分层结构的平面型EBG;单元中含有纵向导体柱的二维金属型、高阻表面型EBG;以及单元结构为各种介质体的二维、三维介质型EBG;另外,还包括多种类型的频率选择表面（FSS）结构。文中各部分的主要研究内容有如下几点:首先,完成了对以不同形状的金属贴片为单元的贴片型、共面紧凑型（UC-PBG）等多种平面型EBG的有效分析,给出了在不同形式以及结构参数下平面型EBG的带隙特性;提出了一种新型的共面紧凑型EBG结构,以找到更低的带隙,数值结果与实验数据表明效果很好;同时建立了关于含单轴各向异介质层、电磁双各向异性介质层的平面型EBG结构的直线法分析模型,并就含有各向异性介质层的UC-PBG结构的带隙特性作出了初步探讨。关于高阻表面型EBG,首先从表面波的产生机理出发,根据等效媒质模型,就其表面波带隙的形成、以及同相反射特性作出了定性分析;接着运用直线法就高阻电磁表面结构建立了一种新型的数值分析模型,对多种高阻电磁表面结构的表面波带隙和反射相位特性进行了有效分析,其中包括一种含各向异性介质衬底的结构;另外,在实现小尺寸、大波长方面进行了初步的探索,提出了一种新型的高阻电磁表面结构,获得了较好的效果。运用直线法为各种介质型EBG分别建立了多种有效的分析模型,对二维、三维以及含各向异性介质的多种介质型EBG的带隙特性作出了全面分析,给出了多种EBG的结构参数与其带隙位置之间的关系图,为介质型EBG的具体设计提供参考;同时提出了多种新的介质型EBG结构,对于一种二维介质型EBG,在引入介质的各向异性后,有效地实现了TE、TM波共带。最后,以频率选择表面（FSS）作为研究对象,首先利用直线法就各种类型的FSS进行了有效分析,其中包括单层的贴片型及孔隙型、多层的贴片—孔隙—贴片互补型以及一、二维介质型FSS,另外还包括一种含有限厚度金属层的FSS结构;接着运用直线法完成了对含单轴各向异性介质层的FSS的分析;最后基于谱域Galerkin法,详细介绍了一种关于含电磁双各向异性介质层FSS的分析过程,就介质衬底的电磁双各向异性对FSS频率选择特性的影响作出了有效研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微波光子晶体起源
• 1.2 微波光子晶体的带隙形成机理及其常见结构
• 1.2.1 微波光子晶体的带隙形成机理
• 1.2.2 微波光子晶体的常见结构
• 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 微波光子晶体数值分析方法
• 2.1 直线法（MoL）
• 2.1.1 直线法法基本原理
• 2.1.2 直线法中常见偏微分算子的差分矩阵
• 2.1.3 直线法与谱域法的关系
• 2.2 平面型微波光子晶体的直线法分析
• 2.2.1 位函数的直线法求解
• 2.2.2 场与位之间的转换关系
• 2.2.3 本征方程的建立
• 2.3 各种微波光子晶体在直线法分析中有待解决的具体问题
• 2.4 小结
• 第三章 平面型微波光子晶体
• 3.1 贴片型微波光子晶体
• 3.2 共面紧凑型微波光子晶体
• 3.2.1 共面紧凑型EBG结构
• 3.2.2 一种新型的共面紧凑型EBG结构
• 3.3 含单轴各向异性介质层的平面型微波光子晶体
• 3.3.1 含单轴各向异性介质层的平面型EBG的直线法分析模型
• 3.3.2 含单轴各向异性介质层的UC-PBG的带隙特性
• 3.4 含电磁双各向异性介质层的平面型微波光子晶体
• 3.4.1 含电磁双各向导吐介质层的平面型EBG的直线法分析模型
• 3.4.2 含电磁双各向异性介质层的UC-PBG的带隙特性
• 3.5 小结
• 第四章 金属型微波光子晶体
• 4.1 二维金属型微波光子晶体
• 4.1.1 二维金属型EBG的有限差分法分析模型
• 4.1.2 二维金属型EBG的带隙特性
• 4.2 高阻表面型微波光子晶体
• 4.2.1 高阻电磁表面的等效媒质模型及其电磁特性的定性分析
• 4.2.2 高阻电磁表面的直线法分析模型
• 4.2.3 高阻电磁表面的带隙特性
• 4.2.4 含各向异性介质层的高阻电磁表面结构
• 4.2.5 一种新型的高阻电磁表面结构
• 4.3 小结
• 第五章 介质型微波光子晶体
• 5.1 二维介质型微波光子晶体
• 5.1.1 二维介质型EBG的直线法分析模型
• 5.1.2 二维介质型EBG的带隙特性
• 5.2 有限厚度的二维介质型微波光子晶体的全三维分析
• 5.2.1 有限厚度的二维介质型EBG的直线法分析模型
• 5.2.2 有限厚度的二维介质型EBG的带隙特性
• 5.3 三维介质型微波光子晶体
• 5.3.1 三维介质型EBG的直线法分析模型
• 5.3.2 三维介质型EBG的带隙特性
• 5.4 含各向异性介质的介质型微波光子晶体
• 5.4.1 含各向异性介质的介质型EBG的直线法分析模型
• 5.4.2 含各向异性介质的介质型EBG的带隙特性
• 5.5 小结
• 第六章 频率选择表面
• 6.1 单层频率选择表面
• 6.2 多层频率选择表面
• 6.2.1 贴片-孔隙-贴片型多层FSS的分析过程
• 6.2.2 计算结果
• 6.3 含有限厚度金属层的频率选择表面
• 6.3.1 含有限厚度金属层FSS的分析过程
• 6.3.2 计算结果
• 6.4 介质型频率选择表面
• 6.4.1 一维介质型FSS
• 6.4.2 二维介质型FSS
• 6.5 含单轴各向异性介质层的频率选择表面
• 6.5.1 含单轴各向异性介质层FSS的分析过程
• 6.5.2 计算结果
• 6.6 含电磁双各向异性介质衬底的频率选择表面
• 6.6.1 含电磁双各向异性介质层FSS的谱域法分析
• 6.6.2 计算结果
• 6.7 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果