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无源电磁周期结构及其应用研究

高强  
【摘要】: 本文主要对无源电磁周期性结构的特性进行了数值仿真,并研究了在隐身材料和微波天线方面中的应用。 作为工作基础,首先建立了分析周期性结构的理论模型和数值仿真工具,研究对象为以微带基片为载体的周期性结构。利用Floquet定理,无限大周期结构可以简化为一个周期单元来计算。数值仿真方法采用周期格林函数与矩量法相结合,采用谱域导抗法得到微带结构的全三维并矢格林函数,并采用快速[Z]矩阵和[Y]矩阵插值技术来加速计算速度,遗传算法的引入可以优化周期性结构达到要求的指标。 利用所建立的仿真工具,对两种无源周期型结构进行了计算,包括频率选择表面的谐振特性和光子晶体的带隙特性。各部分的主要研究内容为: (1)频率选择表面的周期单元考虑了各种几何结构,包括方形贴片、方形孔径、Eruselum振子、方形环、圆环、单分裂环、双环等,同时也考察了单元尺寸、微带介质和布阵方式等不同参数对谐振特性的影响,提出了一些新型的频率选择表面——紧凑的、加载的和分形频率选择表面。另外还研究了频率选择表面的级联和优化,以满足工程设计需求。 (2)对光子晶体的带隙特性进行了研究,其中包括—维光子晶体、光子晶体传输系统和多维光子晶体等。其中重点研究了以高阻电磁表面结构为代表的光子晶体的电磁特性,给出了高阻电磁表面的等效媒质模型,并利用该模型比较深入地探讨了高阻电磁表面的表面波带隙形成机理。 对周期性结构在隐身材料中的应用进行了初步研究。利用周期性结构的同相反射特性作为人工磁导体,代替传统的电损耗Salisbury屏的间隔层,降低了整体厚度,同时又保持电损耗的稳定性能,为吸波材料的发展提供了一个崭新的方向。 研究了光子晶体在微波天线以及天线阵列中的应用。分别研究了高阻表面在微带天线和波导缝隙天线中的应用、光子晶体覆层在微带天线中的应用和人工磁导体在口径耦合微带天线中的应用,并在研究单元的基础上,还研究了高阻表面在波导缝隙天线阵列中的应用,包括16元单脊波导天线阵和4元非对称单脊波导天线阵。研究表明,光子晶体的引入可以有效地改善天线和天线阵列的特性,主要体现在可以提高天线主瓣增益、降低后向和侧向辐射电平上以及减小天线单元和天线阵列间的耦合。最后利用光子晶体的频率带隙抑制相控阵天线单元的互耦,改善了相控阵天线的宽角阻抗匹配,消除了相控阵天线的扫描盲点问题,从而改善天线的扫描特性。


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