微波传输中高阶模及转换规律的分析方法研究

摘要

电磁波需要以单一的工作模式在微波传输线中低耗传输,然而传输线中存在的不连续性结构使得信号传输的效率大大降低。在微波系统中,不连续性会引起信号的反射、与附近电路的耦合,严重时会使系统无法工作。
　　 随着微波技术的发展和科技的不断进步,不断集成化和复杂化的微波系统对传输信号的准确性、高效性、高频率等方面的性能要求越来越高。因此,如何消除不连续性的影响,以及如何提高微波系统和微波器件中信号传输的效率和准确度,越来越受到人们的关注,并成为研究重点。
　　 本文以FDTD算法为基础,结合了微波系统的设计要求、FDTD算法的优势以及MATLAB软件强大而又灵活的后处理能力,对微波传输线不连续性的传输特性进行了全面的分析和研究。
　　 文章首先简单介绍了微波传输线的相关概念以及FDTD算法的基本原理,进而建立物理模型进行模拟仿真,并将提取的参数与软件HFSS以及实验数据进行比较,验证了该算法的正确性；然后对传输线中高阶模的影响进行简要分析,并通过时空傅里叶变换(TSFT)以及横向电磁场谐振原理(TFR)两种方法计算得到了矩形波导和微带线的主模和高阶模的截止频率,提取出不同模式的传播常数或衰减常数:最后运用奇异值分解法(SVD)获得了传输线上不同模式的电磁场分布、能量关系、色散关系、传播常数等,并对不同的方法、不同软件提取的数据进行比较,在误差允许范围内基本一致。
　　 METLAB软件被用来对本文的数据进行了后期处理,其强大而又灵活多变的功能为微波传输中的高阶模及其转换规律的研究提供了坚实的基础,这些是其他软件无法实现的。文章的研究成果为高性能毫米波传输器件的设计与研发以及拓宽其应用范围提供有用的参考价值。

目录

文摘

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致谢

插图清单

第一章 绪论

1.1 微波平面传输线概述

1.2 传输线不连续性的影响

1.3 传输线不连续性研究的常用方法

1.4 本文研究的意义和主要工作

第二章 电磁波数值计算方法-时域有限差分法

2.1 时域有限差分方法的特点

2.2 时域有限差分方法基本原理

2.2.1 麦克斯韦方程

2.2.2 Yee单元网格

2.2.3 麦克斯韦方程的离散化

2.2.4 数值稳定条件

2.2.5 数值色散

2.2.6 PML吸收边界条件

2.2.7 激励源与其在FDTD中的设置

第三章 微波传输线

3.1 波动方程及导行波

3.1.1 波动方程

3.1.2 导行波与波数

3.2 波的传输状态

3.3 传输线的电报方程

3.4 传输线的阻抗及反射系数

3.5 微波网络理论

第四章 微带传输线的不连续性研究

4.1 微带传输线

4.1.1 微带线的结构

4.1.2 微带线的有效介电常数和特征阻抗

4.1.3 微带线的尺寸选择和主模

4.2 微带传输线不连续性弧形切割研究

4.2.1 微带线拐角弧形切割的电路模型

4.2.2 微带线拐角弧形切割的S参数

4.3 微带传输线的色散和高阶模

4.3.1 微带线的色散

4.3.2 微带线的高次模及其影响

第五章 传输线中高阶模及其转换规律的研究

5.1 高阶模研究意义

5.2 FDTD-TSFT方法对传输线多模色散关系的研究

5.2.1 FDTD-TSFT方法的基本原理

5.2.2 直微带的仿真以及色散关系分析

5.3 传输线截止频率的FDTD-TFR方法研究

5.3.1 FDTD-TFR方法基本原理

5.3.2 模拟仿真及图形分析

5.4 传输线不连续性的FDTD-SVD方法研究

5.4.1 FDTD-SVD方法的基本原理

5.4.2 均匀矩形波导及波导宽度跃变模式分析

5.4.3 微带不连续性的模式分析

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文