时域有限差分法分析矩形微带天线的时域特性

摘要

随着现代通信的飞速发展，对无线通信系统的应用提出了更高的要求。例如电视、广播、通信等业务，要求高质量、高速率地传输语言、文字、图像、数据等信息，从而要求设备的宽带化。 天线是辐射和接受电磁波信号的部件，是无线通信系统的重要组成部分。针对个人通信对传输速率和带宽要求的增加，宽频带天线的研究日益活跃，成为天线学科研究领域的一个重要分支。尤其在移动通信和个人通信中，微带天线的地位在将来的发展中将无可比拟。 时域有限差分(FDTD)方法自Yee(1966年)提出以来发展迅速，获得广泛应用。FDTD方法将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，表述简单，容易理解，结合计算机技术能处理十分复杂的电磁问题：有很好的稳定性和收敛性，因而在工程电磁学各个领域备受重视。 本文运用时域有限差分(FDTD)方法，从麦克斯韦旋度方程出发，详细讨论FDTD法计算中时间步长和空间步长的选取原则，推导完全匹配层(PML)吸收边界条件在直角坐标下的差分格式，给出算例在区域截断边界分别设置PML吸收边界条件计算，结果表明，采用PML吸收边界具有反射小、馈源模型简单、收敛速度快等优点。 针对宽带、高频特性，重点说明了激励源的设置、金属导体的设置和吸收边界条件等问题，将PML吸收边界应用于微带结构中，用FDTD方法仿真模拟微带贴片天线的时域特性，然后通过离散傅立叶变换(DFT)来进行其相应的频域特性的分析。在此过程中，侧重于微带贴片天线时域特性的研究。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2天线的基本概念

1.2.1天线的作用

1.2.2天线的分类

1.2.3天线的分析方法

1.3FDTD方法概述

1.4本文的主要工作及内容安排

第二章 微带天线的基本知识

2.1微带天线的定义、结构和优缺点

2.2微带天线的分析方法

2.2.1传输线模型法

2.2.2腔模理论

2.3微带天线的辐射原理

2.4微带天线的馈电方式

第三章 FDTD算法理论

3.1时域有限差分法(FDTD)理论

3.1.1Maxwell方程

3.1.2直角坐标中的FDTD：二维情形

3.1.3完全匹配层吸收边界条件

3.1.4稳定性条件

3.1.5总场区和散射场区

3.2算例

3.2.1点源在自由空间传播的模拟(PML吸收边界条件)

3.2.2总场区入射平面波的引入的FDTD模拟

3.3本章小结

第四章 使用FDTD方法进行矩形微带天线的时域分析

4.1激励源

4.1.1时谐源

4.1.2脉冲源

4.2矩形微带天线的FDTD建模

4.2.1FDTD差分格式：三维情形

4.2.2激励源的类型和设置

4.2.3金属导体的处理

4.2.4吸收边界条件

4.2.5矩形微带贴片天线的FDTD仿真分析

4.3本章小结

致 谢

参考文献