等效网络法及其在微波传输线分析中的应用

摘要

微波传输线在微波工程领域有着重要的应用，对各种传输线传输特性的研究，有着重要的理论意义和现实意义。随着新技术、新应用、新器件的不断涌现，微波传输线的结构越来越复杂。准确的分析其传输特性，是一个复杂的电磁场边值问题，需要有精确、快速、高效、适应范围广的方法来解决。而采用等效电路的方法来处理电磁问题，已经被证明具有这些优点。 本文采用“路”的方法分析“场”的问题。对等效电路方法原理及其优缺点进行了全面归纳和总结，并重点对单模等效网络法和多模等效网络法进行了理论推导。以此为基础，对微波传输线领域的两大类问题，即任意截面柱状波导的横向本征值问题，以及纵向不连续波导的传输问题，进行了分析和验证。对周期结构的频散特性也进行了分析。 提出了求解一大类波导中主模截止波长的新方法。对以椭圆波导、三角、五角波导等为代表的波导中主模的截止特性进行了研究，并验证了该方法的准确性和有效性。研究发现，只要波导截面关于x轴对称，y轴为电壁，x轴为磁壁，该方法都可以应用；通过采用很少数量的阶梯来近似波导的物理边界，就可以得到较高精度的计算结果；该研究进一步丰富了波导截止特性的求解方法。 运用多模等效网络法，对多脊波导、矩形槽波导、波导型滤波器等进行了分析和验证，得到了令人满意的结果。对矩形槽波导的衰减特性也进行了分析与验证。该方法对于处理波导中的多阶梯不连续问题，具有准确、适应范围广的特点。 使用单模等效网络法，对横向介质加载、纵向介质加载的矩形波导进行了详细的讨论：并用此方法对提出的一种纵向按照正弦形式变化的介质加载的矩形波导进行了分析，研究了其反射、透射特性；该方法还可以直接应用到其他类似的波导结构：同时，利用多模等效网络法，对介质加载的脊波导、矩形槽波导等，也进行了理论分析与验证。 提出了一种分析周期结构频散特性的新方法，并对几种典型的周期结构进行了数值计算及分析。与已有文献资料、理论分析及电磁场仿真软件的验证结果证明，此方法用于周期结构频散特性的分析是正确、可行的。对其应用于波纹波导，进行了初步的尝试。 研究表明，单模等效网络法模型简单，编程容易，计算快速，结果比较精确，物理概念清晰，适合工程应用。当波导中不连续处间隔较远，忽略高阶模式的影响，同时不连续对应的电路元件参数容易获得时，这种方法最为有效，缺点是只能得到单一模式的传输特性；多模等效网络法严格，精确，适用范围广，但运算量大，编程复杂，该方法对于分析具有多阶梯结构的波导或滤波器，具有明显的优越性。论文所得到的结论具有重要的理论意义和实用价值，对于实际电磁工程中结构复杂的微波器件的分析、设计、加工与应用具有重要作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3本文的主要内容和创新之处

1.3.1本文的主要内容

1.3.2本文的创新之处

第二章等效网络法概述

2.1均匀波导的等效传输线模型

2.2单模等效网络法

2.2.1矩形波导的例子

2.2.3脊波导的例子

2.3多模等效网络法

2.4广义散射矩阵

2.5等效网络法的其他提法

2.5.1横向谐振法

2.5.2广义横向谐振法

2.5.3等效电路法

2.5.4广义等效传输线法

本章小结

第三章任意截面波导的等效网络法分析

3.1均匀介质填充波导的单模等效网络法分析

3.2均匀介质填充波导的多模等效网络法分析

3.2.1波导不连续处的等效多模网络模型

3.2.2波导不连续处的广义散射矩阵描述

3.2.3广义散射矩阵的级联

3.2.4广义谐振条件

3.2.5衰减常数的计算

3.2.6几种典型波导的多模等效网络法分析

3.3横向非均匀介质填充平板波导的单模等效网络法分析

3.4横向非均匀介质填充波导的多模等效网络法分析

3.5纵向不连续波导的等效网络法原理

3.5.1纵向不连续波导的单模等效网络法分析

3.5.2纵向不连续波导的多模等效网络法分析

本章小结

第四章多阶梯波导的等效网络法分析

4.1关于多阶梯波导

4.2脊波导的等效网络法分析

4.2.1理论分析

4.2.2计算结果及讨论

4.3槽波导的等效网络法分析

4.3.1理论分析

4.3.2数值结果

4.4 H面台阶及滤波器的等效网络法分析

4.4.1理论分析

4.4.2数值结果与讨论

4.5 E面台阶及滤波器的等效网络法分析

4.5.1理论分析

4.5.2计算结果及讨论

本章小结

第五章非均匀介质填充波导的等效网络法分析

5.1横向非均匀介质填充平板波导的等效网络法分析

5.1.1单模等效网络法分析H形波导

5.1.2单模等效网络法分析介质加载矩形波导

5.1.3数值计算结果

5.2非周期加载纵向非均匀矩形波导的等效网络法分析

5.2.1理论分析

5.2.2数值结果与讨论

5.3周期加载纵向非均匀矩形波导的等效网络法分析

5.3.1理论分析

5.3.2计算结果与讨论

5.4介质填充多阶梯波导的等效网络法分析

5.4.1介质加载矩形槽波导

5.4.2介质加载脊波导

本章小结

第六章周期慢波结构的等效网络法分析

6.1理论分析

6.2数值结果与讨论

6.2.1盘荷波导的等效网络法分析

6.2.2平板褶皱结构的等效网络法分析

6.2.3波纹波导的等效网络法分析

6.2.4阶梯加载矩形波导栅周期结构的等效网络法分析

本章小结

第七章结束语

7.1本文结论

7.2今后的工作

参考文献

附录

附录A TE模式横向矢量波函数的推导

附录B TM模式横向矢量波函数的推导

攻读博士期间发表的论文

致 谢