电磁带隙结构及其在宽带技术中的应用

论文摘要

微波光子晶体,也称为电磁带隙结构或者电磁晶体,是一种具有频率禁带的新型周期结构,其特有的性质使得电磁晶体具有广泛的应用前景。本文主要对一维和二维结构的电磁带隙结构进行数值仿真研究,研究不同结构和参数下电磁带隙结构的特性,以掌握其带隙与各项参数之间的内在联系,为电磁带隙结构的具体设计提供指导。文中主要运用时域有限差分方法和传输矩阵方法,对一维和二维介质型电磁带隙结构进行分析,具体包括传统均匀周期电磁带隙结构、缺陷态结构、串联结构、无序结构、二维介质型电磁带隙结构,此外还分析了目标覆盖周期结构的散射特性,缺陷地结构在微波电路中的应用。文中各部分的主要研究有如下几点:首先,分析了传统的均匀周期的电磁带隙结构特性,给出了不同介电常数配比下电磁特性,研究发现,介电常数阶跃变化越大,越容易频繁地出现电磁带隙。当介电常数变化相近的时候,电磁带隙几乎消失,很显然当两者相对介电常数相近的时候,电磁带隙结构趋于单一介质。当均匀电磁带隙结构中引入缺陷态以后,电磁特性也发生了变化,在带隙之间出现了谐振峰,这种特性可以应用于谐振滤波器以及微扰法测量材料参数。为了增大带隙的范围,文中分析了串联结构的电磁特性,这种串联结构能够实现带隙位置的串联,因而有效地增大带隙范围,当然还有其他结构、如并联结构,三元结构以及多元结构、周期间距的不均匀结构等等,随着组成介质元素的增加,其组合方式也越来越多。严格的周期结构能产生电磁带隙,无序结构同样能有效的产生带隙,根据传输矩阵法分析了无序结构特性实现chebyshev滤波特性,无序结构阶数的增加能增加带隙的深度和带隙的宽度。对于二维结构,研究发现,周期结构的层数不会改变电磁带隙的位置,但能够影响带隙的深度。具有同样周期间距和元胞间距的方形结构和圆形结构,带隙的位置几乎相同,两者对不同模式的电磁波具有不同的电磁带隙特性。二维结构中引入缺陷态,可以实现波导结构,这种电磁带隙波导,比传统的波导具有更高的效率。同时研究了目标覆盖周期结构的散射特性,电磁带隙能够在某些频段降低目标的雷达散射截面,为目标隐身提供新的方向。最后,以缺陷地结构为研究对象,研究其在宽带微波电路及宽带天线中的应用。根据场理论和电路分析理论提取了缺陷地电磁带隙结构的等效电路,研究I型缺陷地结构在宽带低通滤波电路,带通电路中的应用以及加载电磁带隙结构宽带天线的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 电磁带隙结构
• 1.1 电磁带隙结构起源
• 1.2 电磁带隙结构的带隙形成机理及其常见结构
• 1.2.1 电磁带隙结构的带隙形成机理
• 1.2.2 电磁带隙结构的常见结构
• 1.3 电磁带隙结构的应用
• 1.4 电磁带隙结构的研究方法
• 1.5 本文的工作以及章节安排
• 第二章 时域有限差分法与有限元法
• 2.1 Maxwell 方程和Yee 元胞
• 2.2 直角坐标系中的电磁场FDTD 公式
• 2.3 数值稳定性
• 2.4 边界条件
• 2.5 FDTD 中常用激励源
• 2.6 FDTD 算法验证
• 2.7 有限元仿真软件HFSS 及算法验证
• 第三章 一维电磁带隙结构的特性研究
• 3.1 介质反射镜传输矩阵法
• 3.2 均匀周期电磁带隙结构特性
• 3.2.1 介质常数对带隙结构的影响
• 3.2.2 掺杂电磁带隙结构与杂质态的特性
• 3.2.3 杂质态的特性随杂质层折射率的变化
• 3.3 串联周期电磁带隙结构的特性研究
• 3.4 非周期无序结构实现chebyshev 滤波特性
• 3.5 小结
• 第四章 二维EBG 结构及覆盖目标散射特性
• 4.1 周期结构FDTD
• 4.1.1 Floquet 定理
• 4.1.2 周期边界条件
• 4.2 方形介质柱的电磁带隙特性
• 4.3 圆形介质柱的电磁带隙特性以及场分布
• 4.4 覆盖电磁带隙结构的目标散射特性
• 4.5 小结
• 第五章 DGS-EBG 结构的宽带滤波器设计
• 5.1 微带传输线理论与设计
• 5.2 等效电路提取
• 5.2.1 I 型DGS 结构的等效电路
• 5.2.2 端点耦合微带线的等效电路
• 5.3 宽带低通滤波电路仿真设计与测量
• 5.4 宽带带通滤波电路仿真设计与测量
• 5.5 小结
• 第六章 宽带天线设计与加载DGS-EBG 特性研究
• 6.1 超宽带微带天线结构的设计
• 6.2 加载缺陷地结构天线的性能仿真与分析
• 6.3 小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文