紧致型电磁带隙结构和双负媒质结构研究

论文摘要

紧致型电磁带隙结构和双负媒质结构都是近年来提出的新型电磁材料,在微波和光学领域都有巨大的应用前景。电磁带隙结构一般是具有周期性的介电结构,它有一个显著的特点是可以人为地控制电磁波的运动,频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。紧致型电磁带隙结构本身具有窄带特性,这种带宽瓶颈使其应用大多局限于窄带天线或器件上。本文提出级联型的电磁带隙结构,用以展宽其带宽或实现双带工作,并将其应用于天线,抑制天线的后向辐射,减小单元之间的互耦,消除相控阵天线的扫描盲区。双负媒质结构的理论和应用研究刚刚起步,本文将其应用于波导天线及其阵列中,用以提高天线的增益。本文的主要工作可以概括为:1.通过无限周期的单元模型,使用周期边界条件,研究了Mushroom-like EBG结构的5个结构参数（金属面片宽度、缝隙宽度、基板介电常数、基板厚度、金属过孔半径）对表面波带隙和反射相位带隙的影响,并通过加载螺旋线圈增大EBG结构的带隙宽度。2.分析了不均匀EBG结构的传输特性和反射相位。使用直接传输方法分析有限周期EBG结构的带隙,建立了EBG结构在波导中的等效电路,提出了使用不同参数级联的方法用以展宽带隙,分别使用不同过孔半径和周期尺寸的EBG结构级联,级联后EBG结构的带隙范围基本覆盖原来均匀结构各自产生的带隙。并实验加工和测量了均匀过孔半径和不同过孔半径级联的EBG结构,实验结果与仿真数据吻合良好,验证了该方法的正确性。在反射相位特性方面,同样建立了分析有限周期EBG结构的模型,用不同面片大小的EBG结构级联构成巢穴型EBG结构,通过两种面片的混合,可以在两个频带获得同相反射特性。3.研究了EBG结构在微带天线中的应用。采用EBG结构与微带天线联合仿真的方法,准确确定EBG结构的带隙范围,EBG结构加载在两天线之间可以有效减小天线间的互耦,并将EBG结构加载在天线单元周围,可以有效减小天线的后向辐射,提高前向增益,改善了天线的辐射性能。设计加工了双频带微带天线,采用级联型方案构成双带EBG结构加载于两天线单元之间,仿真和实验结果表明,可以同时减小两个频带天线之间的互耦。4.分析了圆波导介质柱相控阵的扫描盲区现象,比较了阵中单元有源方向图和相控阵天线扫描特性的对应关系,并以15个单元的圆波导介质柱天线在E面排成均匀线阵,在扫描盲区出现的角度,有源方向图有尖而深的凹陷。将EBG结构应用于圆波导介质柱相控阵,可以有效抑制单元之间的耦合,消除相控阵的扫描盲区,扩大了扫描角的范围。5.以方形的SRR环和金属条带构成双负媒质结构单元,使用修正的NRW方法,通过放置双负媒质结构的二端口波导的散射参数,提取了等效的介电常数、磁导率和折射率,在所设计的工作频率,折射率接近于0,可以将原本发散的电磁波整理成趋近于覆层面法线方向的近似平面波,起到能量汇聚的功能。比较了双负媒质结构加载前后矩形波导天线及其阵列的增益方向图,数值仿真和测量结果表明,天线的前向增益得到显著的提高,同时对后向辐射也有一定的抑制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电磁带隙结构的发展
• 1.3 双负媒质结构的发展
• 1.4 电磁带隙结构和双负媒质结构的应用
• 1.4.1 电磁带隙结构的应用
• 1.4.2 双负媒质结构的应用
• 1.5 本文的主要内容和安排
• 第二章 EBG结构基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 EBG结构的电路模型
• 2.3 表面波带隙产生机理
• 2.3.1 介质交界面上的表面波
• 2.3.2 任意阻抗表面上的表面波
• 2.3.3 EBG结构的表面波带隙
• 2.3.4 表面波带隙宽度
• 2.4 EBG结构的垂直反射相位特性
• 2.5 EBG结构带隙测量方法
• 2.5.1 表面波带隙测量
• 2.5.2 反射相位特性测量
• 2.6 本章小结
• 第三章 EBG结构的表面波带隙和反射相位带隙研究
• 3.1 引言
• 3.2 表面波抑制带隙
• 3.2.1 金属贴片宽度影响
• 3.2.2 缝隙宽度影响
• 3.2.3 基板介电常数影响
• 3.2.4 介质基板厚度影响
• 3.2.5 金属过孔半径影响
• 3.2.6 加载螺旋线圈的EBG结构
• 3.3 垂直入射平面波反射相位特性
• 3.3.1 金属贴片宽度影响
• 3.3.2 缝隙宽度影响
• 3.3.3 基板介电常数影响
• 3.3.4 介质基板厚度的影响
• 3.3.5 金属过孔半径影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 不均匀EBG结构的传输特性及反射相位研究
• 4.1 引言
• 4.2 不均匀EBG结构的传输特性
• 4.2.1 直接传输方法
• 4.2.2 等效电路
• 4.2.3 传输特性分析
• 4.2.4 不同参数对带隙的影响
• 4.2.5 非均匀EBG宽带结构
• 4.2.6 实验加工和测量
• 4.3 复合周期结构的反射特性
• 4.3.1 有限周期EBG结构的反射相位分析
• 4.3.2 不同单元数对反射相位的影响
• 4.3.3 非均匀周期EBG结构的反射相位
• 4.4 本章小结
• 第五章 EBG结构在微带天线中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 微带天线的表面波效应
• 5.3 单频微带天线研究
• 5.3.1 微带天线设计
• 5.3.2 两天线之间互耦
• 5.4 单频微带天线加载EBG结构研究
• 5.4.1 EBG结构设计方法
• 5.4.2 微带天线间加载EBG结构
• 5.4.3 天线谐振频率在EBG结构带隙内和带隙外的比较
• 5.4.4 EBG结构对微带天线辐射特性的改善
• 5.5 级联型双带EBG结构在双带天线中的应用
• 5.5.1 双带天线单元设计
• 5.5.2 两天线间的互耦
• 5.5.3 EBG结构的设计
• 5.6 本章小结
• 第六章 EBG结构在圆波导介质柱相控阵中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 圆波导介质柱相控阵中的扫描盲区
• 6.2.1 圆波导介质柱相控阵的扫描特性
• 6.2.2 介质柱参数对扫描盲区的影响
• 6.3 阵中单元有源方向图
• 6.3.1 阵中单元有源方向图概念
• 6.3.2 阵中单元有源方向图和相控阵天线扫描特性的关系
• 6.3.3 圆波导介质柱阵列阵中单元有源方向图
• 6.4 EBG结构在圆波导介质柱相控阵中的应用
• 6.4.1 EBG结构的分析与设计
• 6.4.2 EBG结构加载无限阵列
• 6.4.3 EBG结构加载15 单元线阵
• 6.5 本章小结
• 第七章 加载双负媒质结构的高增益天线阵列研究
• 7.1 引言
• 7.2 双负媒质结构的实现机理
• 7.2.1 负介电常数的产生原理
• 7.2.2 负磁导率的产生原理
• 7.3 双负媒质结构的参数提取
• 7.3.1 双负媒质结构的单元尺寸
• 7.3.2 等效参数提取
• 7.4 加载双负媒质的高增益天线及阵列
• 7.4.1 双负媒质结构加载矩形波导天线阵列单元的设计
• 7.4.2 双负媒质结构加载矩形波导天线阵列的设计与仿真
• 7.5 实验加工和测试
• 7.6 本章小结
• 第八章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者已发表或录用的文章及科研情况