紧致型电磁带隙结构和双负媒质结构研究
紧致型电磁带隙结构和双负媒质结构都是近年来提出的新型电磁材料，在微波和光学领域都有巨大的应用前景。电磁带隙结构一般是具有周期性的介电结构，它有一个显著的特点是可以人为地控制电磁波的运动，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。紧致型电磁带隙结构本身具有窄带特性，这种带宽瓶颈使其应用大多局限于窄带天线或器件上。本文提出级联型的电磁带隙结构，用以展宽其带宽或实现双带工作，并将其应用于天线，抑制天线的后向辐射，减小单元之间的互耦，消除相控阵天线的扫描盲区。双负媒质结构的理论和应用研究刚刚起步，本文将其应用于波导天线及其阵列中，用以提高天线的增益。本文的主要工作可以概括为：
1.通过无限周期的单元模型，使用周期边界条件，研究了Mushroom-like EBG结构的5个结构参数(金属面片宽度、缝隙宽度、基板介电常数、基板厚度、金属过孔半径)对表面波带隙和反射相位带隙的影响，并通过加载螺旋线圈增大EBG结构的带隙宽度。
2.分析了不均匀EBG结构的传输特性和反射相位。使用直接传输方法分析有限周期EBG结构的带隙，建立了EBG结构在波导中的等效电路，提出了使用不同参数级联的方法用以展宽带隙，分别使用不同过孔半径和周期尺寸的EBG结构级联，级联后EBG结构的带隙范围基本覆盖原来均匀结构各自产生的带隙。并实验加工和测量了均匀过孔半径和不同过孔半径级联的EBG结构，实验结果与仿真数据吻合良好，验证了该方法的正确性。在反射相位特性方面，同样建立了分析有限周期EBG结构的模型，用不同面片大小的EBG结构级联构成巢穴型EBG结构，通过两种面片的混合，可以在两个频带获得同相反射特性。
3.研究了EBG结构在微带天线中的应用。采用EBG结构与微带天线联合仿真的方法，准确确定EBG结构的带隙范围，EBG结构加载在两天线之间可以有效减小天线间的互耦，并将EBG结构加载在天线单元周围，可以有效减小天线的后向辐射，提高前向增益，改善了天线的辐射性能。设计加工了双频带微带天线，采用级联型方案构成双带EBG结构加载于两天线单元之间，仿真和实验结果表明，可以同时减小两个频带天线之间的互耦。
4.分析了圆波导介质柱相控阵的扫描盲区现象，比较了阵中单元有源方向图和相控阵天线扫描特性的对应关系，并以15个单元的圆波导介质柱天线在E面排成均匀线阵，在扫描盲区出现的角度，有源方向图有尖而深的凹陷。将EBG结构应用于圆波导介质柱相控阵，可以有效抑制单元之间的耦合，消除相控阵的扫描盲区，扩大了扫描角的范围。
5.以方形的SRR环和金属条带构成双负媒质结构单元，使用修正的NRW方法，通过放置双负媒质结构的二端口波导的散射参数，提取了等效的介电常数、磁导率和折射率，在所设计的工作频率，折射率接近于0，可以将原本发散的电磁波整理成趋近于覆层面法线方向的近似平面波，起到能量汇聚的功能。比较了双负媒质结构加载前后矩形波导天线及其阵列的增益方向图，数值仿真和测量结果表明，天线的前向增益得到显著的提高，同时对后向辐射也有一定的抑制效果。
双负媒质;媒质结构;电磁材料;带隙结构;介电结构;窄带特性;波导天线;天线增益
西安电子科技大学
博士
电磁场与微波技术
梁昌洪
2008
中文
TN04;TN822
142
2009-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）