论文部分内容阅读
微波复合介质材料是指应用介质材料和金属材料或不同介质材料人工合成的电磁材料，其中最具代表性的是电磁带隙材料和双负材料，也是当前物理学与电磁学研究领域中的前沿与热点问题。但是，电磁带隙材料和双负材料的理论和应用刚刚起步，在数值分析和实际应用等方面尚待深入。本文介绍了微波复合介质材料的相关理论，利用数值仿真和实验研究方法对电磁带隙材料和双负材料的电磁结构特性分析及其在天线和微波传输结构的应用进行深入研究。本文工作的主要贡献体现在：
(1)针对微波复合介质材料中电磁带隙(EBG)和双负混合传输线材料大多是由多单元谐振结构组成的特殊性，应用传输矩阵法快速分析这两种材料的电磁特性，为实现这两种材料的精确设计和实际应用提供了数值参考。将FDTD算法与传统的最小二乘拟和法相结合，有效地提高了仿真微波EBG谐振结构的效率。将FDTD法与基于MPI的并行算法相结合，可以进一步提高仿真效率，从而有效地解决了传统FDTD算法在分析多单元谐振结构时耗时过长的问题。
(2)提出了EBG高阻表面结构设计流程，并根据这一设计流程，成功地将EBG高阻表面结构应用于圆波导口径天线、矩形宽边波导缝隙阵天线和矩形波导窄边缝隙阵天线中，通过数值仿真和部分实验研究，已取得令人满意的结果。仿真和实验结果表明，通过合理设计EBG高阻表面结构能使所应用的天线及其阵列的前向辐射得到较大的改善，并可以有效的抑制后瓣辐射。另外，对加载EBG高阻表面结构的矩形波导窄边缝隙阵相控阵天线进行了初步研究，结果表明EBG结构能在一定的扫描范围内提高天线的前向增益。
(3)根据介电常数和磁导率的取值不同，复合介质材料共分为四类，并从分类的四个方向来构造在一定频段内介电常数和磁导率趋近于零的复合介质材料，利用其近零折射率的特性，来改善天线及其阵列的辐射特性。数值仿真和实测结果表明，四种不同构造的复合介质材料覆层结构均能有效提高天线的前向增益，降低阵列天线的副瓣电平，改善天线的辐射性能，这为高增益、定向天线的研制提供了新的思路，具有十分重要的意义。
(4)利用电磁波在双负传输线上可以产生正相移的特性，实现了由双负特性传输线和传统双正特性传输线组成的混合传输线，利用微带技术可使混合传输线在固定长度上实现任意相移量。并进一步提出利用微波变容二极管来替代双负特性传输线中的串联电容，实现电调移相器，并利用共面波导技术对其进行物理实现。提出应用加载串联电容实现负等效磁导率，利用腐蚀地面结构实现负的等效介电常数的新型混合传输线结构，通过双正结构的低通特性和双负结构的高通特性构建超宽带滤波器，并对多个样品进行了实际测量，测量结果表明其工作频带宽、带内插损小、设计方便，为实用超宽带滤波器设计提供了另一种设计思路。 (5)应用微波分布器件和集总器件分别实现了基于双负混合传输线结构的耦合线定向耦合器，并提出利用变容二极管来实现可调双负结构耦合线定向耦合，仿真和实验结果表明，基于双负混合传输线的耦合线定向耦合器具有传统耦合线耦合器所无法比拟的优点，能在较宽工作频带范围中实现紧耦合，通过合理设计可以实现准“OdB”耦合线耦合器。另外，将开口谐振环(SRR)应用到微带传输线的缺陷地面结构(DGS)中，采用开路枝节加载的SRR DGS级联周期结构设计并制作的低通滤波器结构紧凑，与传统的哑铃形DGS低通滤波器相比，具有良好的低通特性和很高的带外抑制。