对同轴电缆布拉格电栅特性的研究

摘要

目前，光纤光栅传感器在结构健康监测系统中得到了广泛的应用。但是由于光纤光栅易碎，不能承受大应变力的缺点不能满足大应变力测量的要求。本文采用的同轴电缆布拉格电栅，是依据光子晶体结构方式和光纤布拉格光栅的原理，对同轴电缆进行钻孔形成的栅结构。对同轴电缆进行钻孔破坏了其阻抗连续性，导致在同轴电缆布拉格电栅内传播的电磁波发生发射，其特性和光纤布拉格光栅相似，但是电栅具有更大的尺寸，可以承受更大的张力，可以进行大标距测量的特点，弥补了光纤光栅易碎，可测应变力小，不能进行大标距测量的不足。
　　同轴布拉格电栅具有和光纤光栅相似的传输和反射特性，更具有光纤光栅没有的可承受大应变力的能力，但是国内外鲜有针对同轴布拉格电栅进行的理论分析和仿真。本文首先根据传输线理论和模式耦合理论对同轴布拉格电栅的基本原理进行了阐述，分析了同轴布拉格电栅的电栅效应的机理。然后，对同轴布拉格电栅的结构进行了介绍，并利用传输线原理对同轴布拉格电栅的反射系数进行了推导。
　　接下来采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对同轴布拉格电栅进行了建模仿真，Ansoft HFSS是以有限元分析方法作为数值求解电磁场的基础，凭借强大的分析性能、友好简洁的设计界面和后处理器的特点可以对任意形状的三维结构进行电磁场分析。
　　先对均匀的同轴布拉格电栅进行仿真，仿真结果和实验结果进行对比，频率特性基本一致，因此仿真结果可以作为电栅特性研究的依据。最后对相移同轴布拉格电栅进行仿真，可知在相同参数条件下，相移同轴布拉格电栅比均匀同轴布拉格电栅的线宽小，更有利于传感应用。又对相移同轴布拉格电栅不同的钻孔数目、不同的钻空深度，钻孔直径等参数进行仿真，对相移同轴布拉格电栅进行参数优化，进一步减小线宽，提高传感精度。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究基础

1.3本文主要工作和创新点

第二章 同轴电缆布拉格电栅基本原理

2.1电栅的结构形式

2.2传输线理论

2.3模式耦合理论

2.4本章小结

第三章 同轴电缆布拉格电栅仿真建模

3.1 HFSS仿真原理

3.2同轴电缆布拉格电栅仿真建模

3.3本章小结

第四章 同轴布拉格电栅结构参数对电栅线宽影响分析

4.1均匀同轴电缆布拉格电栅

4.2相移同轴布拉格电栅特性分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢