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微波光子晶体及其应用研究

付云起  
【摘要】:光子晶体是具有频率带隙的周期介电材料,自20世纪80年代末提出概念以来,受到了广泛关注,并且在微波频段得到了迅速发展。本文通过理论分析和实验相结合,深入研究了微波光子晶体的带隙机理及其基本特性,并在此基础上,对微波光子晶体的应用进行了有意义的探索。 首先研究了一维微波光子晶体传输线。将光子晶体填充到矩形金属波导中,可以获得带阻特性,当光子晶体具有缺陷时,在阻带中出现谐振模式。重点内容是光子晶体微带线,研究了底板蚀刻结构的光子晶体微带线,并提出级联结构来拓展带隙宽度;引入分形结构实现双带隙或多带隙;提出导带蚀刻的光子晶体微带线以解决封装问题;提出一种新型的光子晶体共面波导结构,使光子晶体微带线更适合于MMIC集成。 微带结构上的微波光子晶体被广泛关注,此处光子晶体的周期性是二维的。对于微带结构上微波光子晶体的分析,建立了全三维理论模型,利用Floquet原理提取一个周期单元进行计算。数值仿真采用周期格林函数与矩量法相结合,利用谱域导抗法得到微带结构的并矢格林函数,求解出光子晶体的能带结构。利用所建立的仿真工具,对多种微波光子晶体的带隙特性进行了计算。一部分是介质型的微波光子晶体,在分析模型中将介质层的厚度及接地板一并考虑,同时引入等效位移电流来模拟空气洞或介质块,比简化二维模型的结果更准确。另一部分是金属—电介质型的平面微波光子晶体,周期单元考虑了多种几何结构,包括十字振子、Eruselum振子、方形贴片、各种环结构等,同时还研究了具有介质覆盖层时光子晶体带隙的变化。 在光子晶体的研究中,一种Mushroom结构的光子晶体因为同时具有频率带隙和相内反射特性而成为研究热点,文中着重对这种微波光子晶体进行了研究。利用周期矩量法计算了其带隙特性,利用FDTD法计算了其反射相位。建立了等效媒质模型,将结构参数与电路集总元件联系起来,并且对此等效媒质模型进行了深入研究和改进,提高了设计的精度,实现了光子晶体的快速设计。在此基础上,提出了几种新型的高阻表面光子晶体结构,它们的优点是结构更加紧凑,非常适合于实际应用。 微波光子晶体的应用前景非常诱人,本文也在此方面作了一定的研究。研究了光子晶体在微带天线中的应用。以同轴馈电微带天线为例,研究了光子晶体对天线性能的影响,得到了设计光子晶体微带天线的基本原则和规律。实际设计了光子晶体口径耦合微带天线和光子晶体卫星导航接收天线。另外将光子晶体应用于波导口径天线的设计,包括波导开口天线和波导介质加载天线,天线的性能得到了较大的改善。


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