UC-PBG在微波元件中的应用基础研究

论文摘要

光子晶体是一种具有周期性介电结构的人工材料,其介电结构的周期参数值与电磁波的波长同一数量级。光予晶体的主要特征是具有光子带隙,即在一定频率范围内的光子在光予晶体内某些方向上是被严格禁止传播的。光子晶体的另一个特征是可以实现光子的局域化。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷,那么频率落在禁带范围内的光子可以被局域在缺陷的位置。光子晶体器件的工作原理都基于这两特性。在微波领域,光子晶体可应用于微带天线,微波滤波器,微带线等器件。UC-PBG是一种平面型的二维光子晶体,具有单元结构紧凑,损耗低,禁带宽等优点。本文将UC-PBG应用于矩形波导、矩形微带天线,采用数值方法,讨论UC-PBG矩形波导的传输特性和慢波特性以及UC-PBG矩形微带天线的辐射特性。本文主要内容为:1.简要介绍光子晶体的带隙理论及其应用,概述慢波系统的原理,并简要讲述了慢波特性。2.简单介绍MWS,MAFIA,HFSS三个微波EDA仿真软件以及主要操作步骤。3.采用HFSS软件计算UC-PBG结构的能带。将UC-PBG引入到矩形波导中,构成UC-PBG矩形波导。对于频率落在禁带内的电磁波,UC-PBG可以等效成磁导体,因此,UC-PBG矩形波导相当于双平板结构的传输系统,故这种波导除了能传输TE,TM及混合模外,还应该能传输TEM模。用MWS软件数值分析UC-PBG矩形波导的传输特性,计算结果表明UC-PBG矩形波导可以传输TEM波,与理论分析一致。并且,UC-PBG波导的带宽比相同尺寸的规则金属矩形波导宽50%左右。4.由于UC-PBG的结构周期性,UC-PBG矩形波导中可以存在慢波。本文利用MWS和MAFIA数值计算了UC-PBG矩形波导的色散曲线,结果表明UC-PBG矩形波导的负一次返波是慢波,这种慢波系统适合于工作在返波状态,即可应用于返波管等返向波真空电子器件中。负一次返波的耦合阻抗曲线也由数值计算得到。论文还分析了UC-PBG的结构单元尺寸和UC-PBG结构周期数对色散特性和耦合阻抗的影响,结果表明,UC-PBG的结构单元尺寸和UC-PBG结构周期数对色散的影响甚微,而这两个参数对耦合阻抗的影响较大。5.利用HFSS软件仿真UC-PBG矩形微带天线的辐射特性,画出了回波损耗曲线和辐射方向图。结果表明,UC-PBG贴片天线的背瓣辐射比普通矩形微带天线小,可提高天线的辐射效率。论文所用到的计算机模拟方法可以应用于其它慢波系统和微带天线中,数值计算结果对于实际器件的设计有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体
• 1.2 共面紧凑型光子晶体
• 1.3 慢波系统简介
• 1.3.1 色散特性
• 1.3.2 耦合阻抗
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 微波EDA软件简介
• 2.1 软件MAFIA
• 2.2 软件MWS
• 2.3 软件HFSS
• 2.4 各算法计算时间的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 UC-PBG矩形波导的传输特性
• 3.1 UC-PBG能带的计算
• 3.2 UC-PBG波导的传输特性
• 3.3 本章小结
• 第四章 UC-PBG矩形波导的慢波特性
• 4.1 UC-PBG矩形波导的慢波特性
• 4.1.1 色散特性
• 4.1.2 耦合阻抗
• 4.2 几何结构参数对慢波特性的影响
• 4.2.1 改变结构单元尺寸
• 4.2.2 改变结构单元数
• 4.3 本章小结
• 第五章 UC-PBG矩形微带天线的辐射特性
• 5.1 微带天线的辐射机理
• 5.2 微带天线的分析理论
• 5.2.1 矩形微带天线的传输线模型
• 5.2.2 贴片边长的经验公式
• 5.3 UC-PBG矩形微带天线的辐射特性
• 5.3.1 UC-PBG矩形微带天线模型
• 5.3.2 辐射特性的数值计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表