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双带电磁带隙结构及多层媒质传播网络理论

陈曦  
【摘要】:由于独特的电磁特性使电磁带隙结构在微波领域具有潜在的应用前景。本文利用级联型电磁带隙结构及曲折型缝隙加载结构实现双带表面波抑制带隙特性,并将其应用于双频微带天线,同时抑制天线在两个工作频率的后向辐射,减小单元之间的互耦。利用曲折型缝隙加载结构的双带同相反射相位带隙特性,提出双频低剖面天线及双频雷达吸波材料。本文的主要工作可以概括为: 1.为了准确的分析EBG结构的表面波带隙,采用无限周期的单元模型,利用基于有限元算法的电磁仿真软件Ansoft HFSS,使用主从边界条件分析色散能带图,逐一分析了曲折型缝隙加载结构参数变化(金属面片宽度、金属面片间缝隙宽度、基板介电常数、基板厚度、金属过孔半径及曲折型缝隙)对双带表面波带隙的影响。 2.本文提取MSEBG结构的局域谐振单元LRCC模型,深入分析曲折型缝隙加载EBG (meandering slotted electromagnetic bandgap, MSEBG)结构的物理机理及局域谐振模式与表面波抑制带隙间的关系。指出MSEBG结构的两个表面波带隙是分别由两种缝隙产生的,即十字交叉缝隙和曲折型缝隙。由于这两种缝隙分别产生两组不同的单极化简并模式,且这两组简并模式对应的两个谐振频率都在两个表面波带隙范围内。 3.双带的表面波抑制带隙可以通过两种方法实现,一种是将不同金属贴片尺寸的mushroom-like EBG结构级联,而另一种是在传统mushroom-like EBG上加载曲折型缝隙。然后将这两种结构分别应用于天线周围及E面耦合微带天线间,结果表明级联型EBG结构和曲折型缝隙加载EBG结构都可以有效抑制两个频段的表面波,同时减小天线在两个工作频带的互耦,并改善天线的辐射特性。 4.研究了在传统mushroom-like EBG结构上加载不对称缝隙及对称缝隙情况下的双带同相反射相位特性,研究表明缝隙加载同样可以实现双带的同相反射相位带隙,并逐一分析了金属面片宽度、金属面片间缝隙宽度、基板介电常数、基板厚度、金属过孔半径及缝隙参数变化对双带同相反射相位带隙的影响。然后将其作为地面,实现了双带低剖面倒L型天线。最后利用MSEBG结构的双频带同相反射相位带隙特性实现双频带雷达吸波特性。分别用C波段WR197和X波段WR90波导测量结构样品的回波损耗特性。使用简单的波导法,仅仅需要几个周期单元就可以完成MSEBG结构吸波特性的测量。 5.将电磁波斜入射到媒质突变的平面边界作为基本模型,然后将电磁波传播和网络理论有机结合,创新地提出多层媒质的[C]网络理论,利用网络理论,推导了平面波经异向介质平板、双轴各向异性、主轴与界面存在旋转角的双轴各向异性以及单轴磁各向异性回旋介质的网络矩阵形式,从而把困难的多层媒质传播转化为概念简单、结果统一的[C]矩阵级联。


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