【正文】 空軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘 要微波光子晶體，也稱為電磁帶隙結(jié)構(gòu)，是一種具有頻率禁帶的新型周期結(jié)構(gòu)。本文主要針對微波光子晶體的帶隙特性及其在微波天線中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。 首先建立分析微波光子晶體結(jié)構(gòu)的理論模型和仿真工具，研究對象為以微帶基片為載體的微波光子晶體結(jié)構(gòu)。利用Floquet定理，將無限大周期結(jié)構(gòu)簡化為一個周期單元來計(jì)算。其次利用所建立的數(shù)值仿真工具，對微波光子晶體的帶隙進(jìn)行了計(jì)算，研究了光子晶體在微波天線以及天線陣列中的應(yīng)用。理論上證實(shí)波導(dǎo)縫隙相控陣天線存在掃描盲點(diǎn)的原因是由于天線單元之間的互耦引起的，也就是天線陣面的表面波所造成的。接著采用光子晶體的帶隙特性對天線單元之間互耦的減小進(jìn)行研究。最后主要研究了正方形和三角形柵格排列縫隙相控陣的仿真分析結(jié)果。研究表明，光子晶體的引入可以有效地改善天線和天線陣列的特性，主要體現(xiàn)在可以減小天線單元和天線陣列間的耦合。利用光子晶體的頻率帶隙抑制相控陣天線單元間的互耦，改善了相控陣天線的寬角阻抗匹配，消除了相控陣天線的掃描盲點(diǎn)問題，從而改善天線的掃描特性。關(guān)鍵詞：微波光子晶體，電磁帶隙結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)端頭縫隙天線，掃描盲點(diǎn)，寬角阻抗匹配AbstractMicrowave photonic crystals, also referred as electromagnetic bandgap (EBG) materials, are periodic structures characterized by the existence of frequency bandgaps. The dissertation focuses on the electromagnetic characteristics in microwave antenna.First,we establish theoretical model and numerical simulation method that are constructed in the microstrip structures. The infinite periodic structure is reduced to one single cell by applying Floquet theorem.Using the above simulation tools, several kind MPC structures have been analyzed。The photonic crystals (PC) have been applied in microwave antennas and antenna arrays. The reason that the scanning blind spot exists in the scanning of waveguide slotted array antenna is the coupling between antenna elements, that is, the surface wave of antenna array. Then the bandgap preperty of EBG is used to reduce the coupling between antenna elements. The primary work is the simulated results of square and triangular grid phased array. The results show that the PCs can improve the characteristics of antennas and antenna arrays. The gain of main lobe has addition, the mutual coupling between the antenna elements or arrays can be reduced. The HIS is used to suppress the mutual coupling between the phased array elements and the results show that the HIS can improve the scan characteristics of phased array through ameliorating the wideangle impedance matching and eliminating the scan blindness.Key words: microwave photonic crystal, electromagnetic bandgap, waveguide endslot antenna, eliminating the scan blindness, wideangle impedance matching. 目錄摘 要 IAbstract II目錄 III第一章 微波光子晶體 1167。 微波光子晶體起源 1167。 光子晶體基本特性 2167。 光子晶體中的Maxwell方程 3167。 Bloch－Floquet原理 4167。 能帶結(jié)構(gòu) 5167。1. 3 微波頻段的光子晶體 6167。 7167。 微波光子晶體的分析方法 8第二章 Ansoft HFSS軟件簡介 12167。Ansoft HFSS軟件的使用方法 12第三章 微波光子晶體改善相控陣天線掃描特性 14167。 陣列天線中天線單元之間的互耦及其影響 14167。 兩個波導(dǎo)端頭縫隙間的互耦分析 20167。 正方形柵格排列縫隙相控陣的仿真分析結(jié)果 25167。 三角形柵格排列縫隙相控陣的仿真分析結(jié)果 27167。 小結(jié) 29本文主要研究成果 30致謝 31參考文獻(xiàn) 3233第一章 微波光子晶體167。 微波光子晶體起源光子晶體的概念[1, 2]是1987年由美國Bell實(shí)驗(yàn)室的E. Yablonovitch和Princeton大學(xué)的S. John分別在討論如何抑制自發(fā)輻射和無序電介質(zhì)材料中的光子局域時，各自獨(dú)立提出來的，它是根據(jù)傳統(tǒng)的晶體概念類比而來的。在固體物理研究中發(fā)現(xiàn)，晶體中周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性電勢場對電子有一個特殊的約束作用，從而使得晶體中電子的能量本征值形成一系列的能帶，能帶之間形成無能級的電子帶隙（Bandgaps）；同樣，在介電性質(zhì)周期變化的光子晶體中，光子的運(yùn)動類似于電子在周期勢場中的運(yùn)動特性，從而導(dǎo)致能量譜的離散化。在某些頻率范圍，所有入射方向上電磁波的所有偏振態(tài)都被禁止傳播，這些被禁止的頻率區(qū)間即稱為“光子帶隙”(Photonic Band Gap), 而具有“光子帶隙”的材料則被稱為光子晶體。電子帶隙的存在，使物質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體，產(chǎn)生了晶體管，從而為集成電路和大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，對人類文明的進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。同樣，光子晶體禁帶的這一特點(diǎn)具有廣闊的應(yīng)用前景，自光子晶體的概念提出后的十幾年來，引起了世界各國研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，相關(guān)的理論研究以及應(yīng)用探索已經(jīng)成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。1999年12月權(quán)威刊物《Science》評選出當(dāng)年世界九大科技成果，“光子晶體”是其中之一。十多年來，有關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究取得了不少重要進(jìn)展，在不久的將來，光子晶體的成果必將對信息通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，正如半導(dǎo)體的出現(xiàn)引起了電子學(xué)的一場革命，光子晶體的出現(xiàn)也將帶來一場光電子學(xué)的新革命。在光學(xué)波段由于尺度很小，加工工藝要求高，所以人工制作光子晶體存在一定的困難。微波頻段和光波都屬于電磁波譜，共同遵從于Maxwell方程，因此這種周期性通過縮比關(guān)系擴(kuò)展到了微波領(lǐng)域。對于頻率禁帶處在微波頻段（300MHz~300GHz）的光子晶體，我們將其稱為微波光子晶體（Microwave Photonic Crystals：MPCs）、電磁晶體（Electromagnetic Crystals：ECs）或電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Electromagnetic BandGap：EBG）。微波領(lǐng)域從理論分析、制備到實(shí)驗(yàn)測試都有相當(dāng)成熟的技術(shù)和儀器設(shè)備，所以光子晶體在微波頻段的研究快速開展起來，并且不斷獲得新的成果，EBG相關(guān)理論及應(yīng)用已經(jīng)成了一個重要的研究方向。光子晶體在微波波段的研究涉及濾波器、混合器、諧振器、高效放大器、低損慢波線、諧波抑制器、人身防護(hù)天線、高性能微波天線、相控陣天線等，覆蓋的范圍非常廣泛。167。 光子晶體基本特性光子晶體最根本的特性就是具有光子帶隙[3,4]（Photonic Bandgap, PBG）。眾所周知。在半導(dǎo)體材料中由于周期勢場作用，電子會形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能有能隙。光子的情況也非常相似，如果將具有不同折射系數(shù)的介質(zhì)在空間按一定的周期排列，當(dāng)空間周期與波長相當(dāng)時，由于周期性所帶來的Bragg散射，它能夠產(chǎn)生一定頻率范圍的光子帶隙，使得光不能傳播。由于光波也是電磁波，所以光子晶體實(shí)際上對整個電磁波譜都是成立的，甚至于對于聲波（彈性波）也存在帶隙。光子晶體按照周期性可分為一維、二維或三維結(jié)構(gòu)。 光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖光子晶體的帶隙特性可以采用能帶結(jié)構(gòu)圖或者傳輸反射曲線來表征。光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖給出光子晶體結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，在一定的頻率范圍內(nèi)如果沒有任何電磁場模式存在，這個范圍就是所講的光子帶隙。當(dāng)電磁波照射到光子晶體上時，如果電磁波的頻率落在光子晶體的禁帶頻率范圍內(nèi)，