基于光子晶体与异向介质的新型天线的研究

【摘要】： 在开展有限时域差分法(结合各向异性完全匹配层边界)算法研究和普通天线模拟设计研究的工作基础上，本论文主要进行了基于光子晶体(PBG)与异向介质的新型天线的研究。研究目的是利用这些新型人工材料，在保证天线的其他特性良好的前提下，设计出高方向性并且易于加工制作的新型天线。 1．采用一种快速的计算方法，并结合遗传优化算法，进行了金属光子晶体(MPBG)反射面天线的模拟与实验。在此基础上，采用类似激光腔的结构，设计了三种类型的MPBG共振天线。它们分别具有高方向性系数(可达到60.0)、高辐射电阻(可达到46893Ω)的特性，或两种特性兼有(方向性系数30.2，辐射电阻227Ω)。 2．设计了一种新型的光子晶体覆层。采用此覆层的光子晶体天线，方向性系数(11.2dB)已经非常接近理论极限(12.0dB)。这种光子晶体覆层的设计思想与以前文献中提出的不同，它利用的是光子晶体结构在有限尺寸下的缺陷模。而且，与以前提出的光子晶体覆层相比，它还具有易于加工制作的优点。这种光子晶体覆层的有效性也在具有理想磁导体(PMC)基底与PBG覆层的贴片天线中得到了展现。 3．设计出了具有完全光子禁带的PMC结构。这种结构具有尺寸小(边长仅为介质中波长的23.7％)、效果明显(将贴片天线的方向性系数提高了3.16dB)的优点。结合这种PMC结构和第2点中提到的PBG覆层，首次设计出了具有PMC基底与PBG覆层的新型贴片天线，对方向性改进效果更加显著(将贴片天线的方向性系数提高了7.3dB)。 4．首次将异向介质结构作为贴片天线的覆层加以利用。对天线的能带进行了分析。在选定的工作频率，异向介质覆层将贴片天线的方向性系数提高了9.14dB。这种异向介质覆层的作用机理与光子晶体覆层的作用机理完全不同。论文对异向介质覆层的作用机理，以及覆层的层数、间距的选取，都进行了详细的分析。 本论文发展了三种光子晶体共振天线、新型PBG覆层贴片天线、新型PMC基底贴片天线、具有PMC基底和PBG覆层的新型贴片天线、异向介质覆层新型贴片天线。这也为PMC结构的特性理论、PBG覆层的理论模型作了重要的补充。这些结果对发展高方向性、可实用化的新型天线具有重要意义。