广义电磁谐振与EBG电磁局域谐振研究及应用

摘要

电磁谐振是一种大家熟知的经典物理现象，但是，随着IT时代的到来和新材料(如光子晶体PCs和电磁带隙结构EBG等)的不断涌现，它也面临着各方面的挑战。复杂电磁环境的大量实践表明：在开放空间某个小区域(甚至是一个点)，发现有类似谐振的强场峰值；而紧致型EBG结构可以用小周期薄层(a，t＜＜λ)得到局域谐振的带隙特性。正是从这些实际需求中，本文总结出通常很少论及的广义谐振和电磁局域谐振现象，并对其理论和应用作出深入探讨和研究。 “不同质的矛盾，只有用不同质的方法才能解决。”本文正是以这一思想为指导，深入研究了广义电磁谐振和电磁局域谐振的关键性质，并在此基础上提出了以复频率理论为基础，以路与场统一为思想，以广义系统函数H(s)为方法，找到一条可以解决广义电磁谐振和电磁局域谐振的有效途径。事实证明：广义系统函数H(s)方法不但能根据少数几个采样点及其复极点和留数特性正确地预测出广义谐振点，分辩出膺谐振，而且还能给出其它方法难以获取的超低Q谐振状态。 Mushroom-likeEBG结构的深入研究，使我们领悟到利用波结构在一部分区域构成等效电感三，使磁性成主要矛盾，而另一部分区域构成等效电容C，使电特性成主要矛盾，它们之间的电磁耦合既可构成谐振，又可降低(或压制)波动性，这是它能大大减小结构尺寸的关键所在。值得指出：本文成功地利用广义系统函数H(s)，分析和预测了其表面波带隙位置和范围，使H(s)成为分析广义电磁谐振和EBG局域谐振的一种统一方法。 文中提出了EBG结构的局域谐振腔体单元(LRCC)模型，深入研究了表面波带隙和平面波反射相位带隙的相关和不同，从而澄清了当前国际上一些著名学者的争论，为奠定完整的带隙理论打下了基础。 这篇论文中还做了不少实验，如带隙实验，缝隙天线阵列实验等，这些实验不仅使我们坚信了本文提出理论和方法的有效和正确性，更重要的是为新材料、新应用带来了新的生机。400单元的波导缝隙天线阵以及EBG缝隙子阵的实验结果满足了预想和设计指标。最重要的是，本文提出的波导端头裂缝EBG相控阵的分析和预测表明：由于EBG结构的加入确可提高相控阵性能，并有效地消除扫描盲区，扩展扫描范围。 本文共十一章，第一章作为序重点讨论体系结构，第十一章作出总结和展望。正因为本文是对新现象新问题的初步研究，尚存在大量问题值得进一步探索。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章序章

1.1电磁谐振

1.2广义电磁谐振

1.3电磁局域谐振

1.4广义谐振和局域谐振的分析方法

1.5本文的框架结构和主要工作

第二章电磁复频率理论

2.1引言

2.2电磁系统的复频率理论

2.3天线开放系统

2.4复谐振频率与Q值

2.5传输线腔谐振问题的复相角理论

2.5.1复相角理论

2.5.2传输线谐振腔

2.6小结

第三章复杂电磁环境中的广义系统函数H(s)

3.1引言

3.2基于模型的参数估计技术(MBPE)

3.2.1单频率点函数导数展开

3.2.2多频率点函数值采样匹配

3.3广义系统函数H(s)的零极点特性和留数

3.4广义谐振频率ω0与品质因数Q

3.5时域响应

3.6数值实验

3.7内谐振问题

3.7.1电场积分方程(EFIE)

3.7.2磁场积分方程(MFIE)

3.7.3广义系统函数分析

3.8通过式谐振腔系统

3.9小结

第四章 频空二维广义转移函数H(s，ξ)

4.1引言

4.2频空二维广义转移函数H(s，ξ)

4.3复频域和复空间中的极零特性

4.3.1复频域中的极零特性

4.3.2复空间中的极零特性

4.4远场频空二维研究

4.5近场频空二维研究

4.6目标的近场复空间极点研究

4.6.1单个导线体

4.6.2金属平板

4.6.3单个长方导电体

4.7小结

第五章 电磁问题中统一的电路模型及路与场的相互作用

5.1引言

5.2统一电路模型

5.3两个定理

5.4路与场的相互作用

5.4.1双天线加载系统

5.4.2五元测向天线阵系统(FCADF)

5.4.3广义谐振改善机制

5.5隔离度理论

5.5.1任意天线间隔离度

5.5.2实际工作天线间隔离度

5.6 小结

第六章 EBG结构的电磁特性

6.1引言

6.2 FDTD-EBG散射场分析模型

6.2.1时域特性

6.2.2广义Pencil函数方法

6.2.3频域特性

6.3 EBG结构的广义系统函数研究

6.4沿复阻抗表面传播的表面波

6.5 EBG结构的复等效阻抗模型

6.6小结

第七章 EBG结构的局域谐振腔体单元模型

7.1 引言

7.2局域谐振腔体单元(LRCC)模型

7.3两种主谐振模式研究

7.3.1波导法

7.3.2同轴探针法

7.3.3低轮廓倒L天线

7.4不同EBG结构的LRCC分析

7.4.1 LRCC模型的结构参数研究

7.4.2三角形单元六边形晶格的EBG结构

7.4.3六边形单元三角形晶格的EBG结构

7.5小结

第八章 EBG结构的表面波带隙和反射相位带隙理论

8.1引言

8.2表面波抑制带隙

8.3垂直入射平面波反射相位特性

8.4斜入射平面波反射相位分析

8.5近EBG表面的反射相位特性

8.6小结

第九章EBG波导缝隙天线阵列的理论与实验

9.1引言

9.2波导宽边缝隙天线阵的分析与综合

9.2.1波导缝隙的MoM法分析

9.2.2波导宽边缝隙天线阵列分析

9.2.3 PNM快速计算

9.2.4馈电网络分析与设计

9.2.5波导缝隙天线阵列的综合

9.2.6波导缝隙的MLC-FDTD分析

9.3 EBG结构的分析与设计

9.3.1 EBG结构设计基本思想

9.3.2 EBG结构上TM和TE表面波的耦合研究

9.3.3 EBG波导缝隙天线单元研究

9.4 EBG波导缝隙天线阵的实验研究

9.4.1实验方案

9.4.2驻波特性

9.4.3远场方向图特性

9.4.4 EBG缝隙阵口径场诊断

9.5小结

第十章EBG波导端头缝隙相控阵天线研究

10.1引言

10.2波导端头裂缝有限相控阵的MoM法分析

10.3波导端头裂缝相控阵的性能分析

10.3.1阵中心单元的有源反射系数

10.3.2阵中心单元有源方向图

10.3.3互耦特性

10.4 EBG的分析与设计

10.5 EBG波导端头缝隙相控阵

10.6小结

第十一章结语

11.1总结

11.2展望

11.3论谐振、复域和对称性

致谢

参考文献

作者攻读博士学位期间的研究成果