EBG加载波导结构的电磁特性及其应用研究

论文摘要

电磁带隙（EBG,Electromagnetic Band-Gap）波导通过对波导腔体进行金属EBG膜片加载形成。它同时具有EBG结构紧凑、禁带特性、带隙外慢波效应的特点以及腔体结构传输损耗小、功率容量大的优点,因此在微波毫米波中大功率系统、元器件及其小型化设计领域具有十分广泛的应用前景。本文对EBG加载波导的电磁特性及其在微波滤波器和喇叭天线设计中的应用进行研究,具体工作如下:（1）采用模式匹配技术（MMT）对四脊方波导的双面不连续性进行分析,得到了四脊方波导的本征值、截止频率、特性阻抗、单模工作带宽等特性与结构尺寸之间的关系。在此基础上采用多层感知器神经网络（MLPNN）模型对四脊方波导的双面不连续性进行建模。MLPNN模型的计算精度与磁场积分方程法（MFIE）、有限元法（FEM）等方法相当,而计算速度大大提高,为EBG波导滤波器的快速设计奠定基础。（2）针对EBG膜片阵列双排平行加载波导带通滤波器（BPF）的设计,分析了膜片高度、加载周期、平行间距等结构参数对频响特性的影响,在此基础上设计了中心频率为9GHz的BPF。测量结果表明本文所设计的BPF通带范围为6GHz～12GHz,通带内插入衰减小于1dB,阻带上边界频率由单排加载情形的14.2GHz提高到16GHz,阻带衰减最大值达到55dB。与单排EBG加载波导BPF相比,阻带带宽和衰减均得到提高,可用于带外杂波抑制。（3）采用EBG膜片阵列对称周期加载的方法,设计了双极化EBG加载方波导BPF。在分析膜片高度和加载周期对BPF频响特性影响的基础上,研制了中心频率为10.6GHz的BPF。测量结果表明,该滤波器通带范围7.5GHz～14GHz,带内插入衰减小于1dB,阻带范围14.5GHz～16.8GHz,阻带衰减最大值达到45dB,双正交线极化隔离度大于25dB,可用于双极化系统中的电路抗干扰。（4）采用EBG膜片阵列对称加载的方法,设计了EBG加载方形棱锥喇叭天线。与普通无加载喇叭、对称四脊加载喇叭的天线性能进行比较分析,结果表明对棱锥喇叭进行EBG膜片阵列对称加载,在相同外形尺寸的前提下,可以获得比普通无加载喇叭更低的旁瓣、比四脊喇叭更高的方向性。在此基础上研制了中心频率为12GHz的EBG膜片加载棱锥喇叭天线。测试结果表明,在10GHz～14GHz频带上天线的方向性系数大于13dB,E面方向图第一旁瓣电平比主瓣低17dB以上,双正交线极化隔离度及工作主模与其它模式的模式隔离度均高于40dB。（5）设计了多过渡段结构的微波宽带同轴-波导转换器,实现低阻抗同轴线-高阻抗波导的宽频转换,用于本文研制的EBG膜片加载BPF和喇叭天线的测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 EBG加载结构的发展概述
• 1.2 波导EBG加载结构的应用
• 1.2.1 用于滤波器等元器件设计
• 1.2.2 用于口径天线设计
• 1.2.3 用于双（圆）极化系统设计
• 1.3 波导EBG加载结构的分析方法
• 1.3.1 模式匹配技术MMT（Mode-Matching Technology）
• 1.3.2 多层感知器神经网络模型MLPNN（Multilayer Perceptron Neural Network Model）
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 四脊对称加载方波导的电磁特性研究
• 2.1 金属四脊对称加载方波导的MMT建模与分析
• 2.1.1 四脊方波导的MMT本征模表示形式
• 2.1.2 MMT关于高阶模产生及相互影响的考虑
• 2.1.3 MMT数值算法的相对收敛性
• 2.1.4 MMT算法的计算效率
• 2.1.5 四脊方波导本征问题的MMT数值解
• 2.1.6 四脊方波导的MMT设计实例
• 2.2 金属四脊对称加载方波导的MLPNN建模与分析
• 2.2.1 MLPNN模型及BP算法
• 2.2.2 MLPNN计算结果
• 2.2.3 四脊方波导的MLPNN设计实例
• 2.3 四脊方波导的MLPNN模型用于方形脊波导滤波器的设计
• 2.4 本章小结
• 3 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的设计
• 3.1 周期加载波导结构的等效电路模型
• 3.1.1 周期加载波导结构的复传播常数γ
• B'>3.1.2 周期加载波导结构的特性阻抗Z_B
• 3.2 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的结构建模
• 3.2.1 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的结构
• 3.2.2 EBG膜片阵列加载矩形波导BPF的等效电路
• 3.3 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的特性及研制
• 3.3.1 EBG膜片单排加载矩形波导BPF的特性
• 3.3.2 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的特性
• 3.3.3 EBG膜片双排平行加载矩形波导BPF的研制
• 3.4 本章小结
• 4 双极化EBG膜片加载方波导BPF的设计
• 4.1 双极化EBG膜片加载方波导BPF的结构建模
• 4.1.1 EBG膜片加载方波导BPF的结构
• 4.1.2 EBG膜片加载方波导BPF的等效电路
• 4.2 双极化EBG膜片加载方波导BPF的特性分析
• 4.2.1 EBG膜片加载方波导BPF的滤波特性
• 4.2.2 EBG膜片加载方波导BPF的双极化特性
• 4.3 双极化EBG膜片加载方波导BPF的研制
• 4.3.1 EBG膜片加载方波导BPF的实测S参数
• 4.3.2 EBG膜片加载方波导BPF的实测极化特性
• 4.4 本章小结
• 5 EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的设计
• 5.1 金属四脊加载方形棱锥喇叭天线的设计
• 5.2 金属EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的设计
• 5.3 EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的研制
• 5.3.1 EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的实测回波损耗
• 5.3.2 EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的实测方向图
• 5.3.3 方形棱锥喇叭天线的极化隔离度比较
• 5.4 本章小结
• 6 微波宽带同轴-波导转换器的设计
• 6.1 引言
• 6.1.1 同轴-波导转换器的传统结构
• 6.1.2 宽带同轴-波导转换器的结构
• 6.2 微波宽带同轴-脊波导转换器的设计
• 6.2.1 双脊加载矩形波导的设计
• 6.2.2 宽带同轴-脊波导转换器的设计
• 6.3 微波宽带双脊波导-任意尺寸波导转换器的设计
• 6.3.1 宽带双脊波导-任意尺寸矩形波导转换器的设计
• 6.3.2 宽带双脊波导-方波导转换器的设计
• 6.4 EBG膜片加载波导BPF的测试回路
• 6.5 EBG膜片加载方形棱锥喇叭天线的测试电路
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录