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微波光子晶体带隙特性及其在天线中的应用

郑秋容

   微波光子晶体,也称为电磁带隙结构(Electromagnetic Band-Gap:EBG),是一种具有频率禁带的新型周期结构。本文主要针对微波光子晶体的带隙特性及其在微波天线和隐身材料中的应用进行了研究。 首先建立分析微波光子晶体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微波光子晶体结构。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。 利用所建立的数值仿真工具,对几种微波光子晶体结构进行了计算,包括平面微波光子晶体以及加载覆盖层光子晶体的带隙特性。各部分的主要研究内容为: (1)平面型光子晶体考虑了方形贴片光子晶体的谐振特性,主要考察了单元尺寸、缝隙尺寸、基板厚度和介电常数、覆盖层的厚度和介电常数以及过孔半径等不同参数对谐振特性的影响,提出了一些新型的紧凑的平面型微波光子晶体——交指型结构和螺旋型结构。 (2)针对某些天线系统设计中需要得到双频段或多频段带隙,本文计算了具有分形特征的二维金属柱EBG结构,获得双频段的频率带隙甚至是新的全局带隙,并且总结了它们的工作特性和分形结构之间的关系。 (3)研究了光子晶体在微波天线以及天线阵列中的应用。主要研究了高阻表面在波导缝隙天线中的应用,包括波导端头缝隙天线、16元单脊波导缝隙天线阵以及16元非对称单脊波导缝隙天线阵。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。对高阻表面在相控阵天线中的应用进行了初步的探讨。利用高阻表面的频率带隙抑制相控阵天线单元间的互耦,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。 在连续波雷达中收发天线阵之间的隔离度是一个非常重要的指标。在连续波雷达的实际设计中不能将雷达收发天线的间距设计的过大也不能过小,因为收发天线之间间距如果太小,发射天线所发射的电波就会有一部分直接进入接收天线。针对这一问题本文利用光子晶体材料的电磁带隙特性,有效地解决长期困扰连续波雷达设计的收发天线互耦问题,提高收发隔离度,获得了互耦系数减小15 dB的效果,增加了连续波雷达的探测能力, (4)对光子晶体在吸波材料中的应用进行了初步研究。利用光子晶体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。并将这种新型的由光子晶体制作的吸波材料成功地应用于波导端头缝隙天线,和非对称单脊波导缝隙天线阵,使这些天线和天线阵在增益衰减较少的情况下,雷达散射截面(RCS)得到了较为明显的减缩。……   
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