微波復(fù)合介質(zhì)材料特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、微波復(fù)合介質(zhì)材料是指應(yīng)用介質(zhì)材料和金屬材料或不同介質(zhì)材料人工合成的電磁材料，其中最具代表性的是電磁帶隙材料和雙負(fù)材料，也是當(dāng)前物理學(xué)與電磁學(xué)研究領(lǐng)域中的前沿與熱點(diǎn)問(wèn)題。但是，電磁帶隙材料和雙負(fù)材料的理論和應(yīng)用剛剛起步，在數(shù)值分析和實(shí)際應(yīng)用等方面尚待深入。本文介紹了微波復(fù)合介質(zhì)材料的相關(guān)理論，利用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)電磁帶隙材料和雙負(fù)材料的電磁結(jié)構(gòu)特性分析及其在天線和微波傳輸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。本文工作的主要貢獻(xiàn)體現(xiàn)在：

2、(1)針對(duì)微波復(fù)合介質(zhì)材料中電磁帶隙(EBG)和雙負(fù)混合傳輸線材料大多是由多單元諧振結(jié)構(gòu)組成的特殊性，應(yīng)用傳輸矩陣法快速分析這兩種材料的電磁特性，為實(shí)現(xiàn)這兩種材料的精確設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)值參考。將FDTD算法與傳統(tǒng)的最小二乘擬和法相結(jié)合，有效地提高了仿真微波EBG諧振結(jié)構(gòu)的效率。將FDTD法與基于MPI的并行算法相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高仿真效率，從而有效地解決了傳統(tǒng)FDTD算法在分析多單元諧振結(jié)構(gòu)時(shí)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。 (2)提出

3、了EBG高阻表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，并根據(jù)這一設(shè)計(jì)流程，成功地將EBG高阻表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圓波導(dǎo)口徑天線、矩形寬邊波導(dǎo)縫隙陣天線和矩形波導(dǎo)窄邊縫隙陣天線中，通過(guò)數(shù)值仿真和部分實(shí)驗(yàn)研究，已取得令人滿意的結(jié)果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)EBG高阻表面結(jié)構(gòu)能使所應(yīng)用的天線及其陣列的前向輻射得到較大的改善，并可以有效的抑制后瓣輻射。另外，對(duì)加載EBG高阻表面結(jié)構(gòu)的矩形波導(dǎo)窄邊縫隙陣相控陣天線進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明EBG結(jié)構(gòu)能在一定的掃描范圍內(nèi)提

4、高天線的前向增益。 (3)根據(jù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的取值不同，復(fù)合介質(zhì)材料共分為四類，并從分類的四個(gè)方向來(lái)構(gòu)造在一定頻段內(nèi)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率趨近于零的復(fù)合介質(zhì)材料，利用其近零折射率的特性，來(lái)改善天線及其陣列的輻射特性。數(shù)值仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，四種不同構(gòu)造的復(fù)合介質(zhì)材料覆層結(jié)構(gòu)均能有效提高天線的前向增益，降低陣列天線的副瓣電平，改善天線的輻射性能，這為高增益、定向天線的研制提供了新的思路，具有十分重要的意義。 (4)利用電磁波在

5、雙負(fù)傳輸線上可以產(chǎn)生正相移的特性，實(shí)現(xiàn)了由雙負(fù)特性傳輸線和傳統(tǒng)雙正特性傳輸線組成的混合傳輸線，利用微帶技術(shù)可使混合傳輸線在固定長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)任意相移量。并進(jìn)一步提出利用微波變?nèi)荻O管來(lái)替代雙負(fù)特性傳輸線中的串聯(lián)電容，實(shí)現(xiàn)電調(diào)移相器，并利用共面波導(dǎo)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)。提出應(yīng)用加載串聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)負(fù)等效磁導(dǎo)率，利用腐蝕地面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)的等效介電常數(shù)的新型混合傳輸線結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙正結(jié)構(gòu)的低通特性和雙負(fù)結(jié)構(gòu)的高通特性構(gòu)建超寬帶濾波器，并對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行了實(shí)

6、際測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明其工作頻帶寬、帶內(nèi)插損小、設(shè)計(jì)方便，為實(shí)用超寬帶濾波器設(shè)計(jì)提供了另一種設(shè)計(jì)思路。 (5)應(yīng)用微波分布器件和集總器件分別實(shí)現(xiàn)了基于雙負(fù)混合傳輸線結(jié)構(gòu)的耦合線定向耦合器，并提出利用變?nèi)荻O管來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)雙負(fù)結(jié)構(gòu)耦合線定向耦合，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于雙負(fù)混合傳輸線的耦合線定向耦合器具有傳統(tǒng)耦合線耦合器所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，能在較寬工作頻帶范圍中實(shí)現(xiàn)緊耦合，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)“OdB”耦合線耦合器。另外，將開(kāi)口諧振環(huán)(SRR