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谐振型微波光子晶体电磁特性研究及其在天线中的应用

张国华  
【摘要】: 光子晶体是一种具有频率禁带的新型周期结构。虽然光子晶体的概念最早是在光学领域提出来的,但是它可以通过缩放尺寸的关系应用到很宽的频率范围内。由于微波频段在制备技术、测试表征手段等方面具有的优势,最近几年微波光子晶体的研究得到了迅速的发展。作为微波光子晶体的一种重要类型,本文主要针对谐振型微波光子晶体结构的电磁特性及其在微波天线中的应用进行了研究。 首次明确提出了谐振型微波光子晶体结构的概念,研究了它的带隙形成机理,总结了这种微波光子晶体不同于普通Bragg型微波光子晶体的一些独特的特点。介绍了几种常见的谐振型微波光子晶体结构以及它们在微波工程中的应用。在分析方法上,根据谐振型微波光子晶体带隙特性的本征模式表征和传输参数表征两种描述方式,分别在频域和时域选取有限元法和时域有限差分法针对不同表征方式进行了仿真。对于谐振型微波光子晶体的带隙特性,两种分析手段都可以得到比较好的结果。 研究了以高阻电磁表面结构为代表的谐振型微波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的探讨了高阻电磁表面的表面波带隙形成机理。采用有限元完全匹配层法和时域有限差分法等全波分析方法对高阻电磁表面的表面波带隙进行了数值分析,并利用实验室设备搭建了测试系统,对其进行了测量。利用时域有限差分法对高阻电磁表面的反射相位进行了计算,得到了它的同相反射特性,给出了反射相位与表面波带隙的关系。从复反射系数的角度出发,阐述了高阻电磁表面可以作为人工磁导体(AMC)的性质。在普通二层高阻电磁表面的基础上,提出了几种特殊周期单元形式的高阻电磁表面光子晶体结构,在实现其低频、宽带、小尺寸方面进行了初步的探讨,获得了预期的效果。 根据谐振型微波光子晶体的电磁特性,研究了以高阻电磁表面为代表的谐振型微波光子晶体在微波天线以及天线阵列中的应用。分别研究了高阻电磁表面在简单线天线、微带天线以及波导口径天线中的应用。在研究单元天线的基础上,还研究了高阻电磁表面在波导口径天线阵列中的应用,包括二元阵列、四元阵列以及多元阵列。研究表明,谐振型微波光子晶体的引入可以有效的改善天线和天线阵列的特性,主要体现在可以减小天线剖面尺寸、提高主瓣增益及降低后向和侧向辐射电平上。另外,还进一步将谐振型微波光子晶体结构应用于天线单元和阵面之间,利用其带隙特性达到了减小天线单元和天线阵面间耦合的目的。 最后,对谐振型微波光子晶体在相控阵天线中的应用进行了初步的探讨。利用谐振型微波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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