【正文】 在滿足要求的情況下，盡可能多放置EBG結(jié)構(gòu)。 插入四列EBG結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)端頭縫隙天線 插入四列EBG結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)端頭 插入四列EBG結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)端頭 縫隙天線計(jì)算結(jié)果 縫隙天線測(cè)試結(jié)果當(dāng)兩個(gè)波導(dǎo)共軸線排列時(shí)： 共軸線排列的波導(dǎo)端頭縫隙天線 EBG共軸線排列的波導(dǎo)端頭縫隙天線 共軸線排列的波導(dǎo)端頭縫隙 共軸線排列的波導(dǎo)端頭縫隙天線計(jì)算結(jié)果 天線測(cè)試結(jié)果采用HFSS計(jì)算了普通金屬和插入EBG結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)縫隙天線的耦合系數(shù)。本節(jié)在考慮壁厚的情況下采用FDTD法對(duì)矩形波導(dǎo)縫隙天線的互耦特性進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)天線加載光子晶體前后的耦合特性進(jìn)行了深入的分析。由式（）與式（）不難看出，很接近于為避免出現(xiàn)柵瓣所允許的最大波束掃描角。對(duì)等間距均勻分布陣列，相鄰單元間的陣內(nèi)相位差若令，則可簡(jiǎn)化為因此，第k單元的反射電壓可表示為 （）第k個(gè)單元的有源反射系數(shù)定義為 （）若將互耦系數(shù)的公式（）代入式（），則 （）由此可以看出，有源反射系數(shù)分別于單元間距、波束掃描角有關(guān)，與天線單元形成的關(guān)系，這里是通過系數(shù)表示的。引起天線單元反射增加眾所周知，天線單元輸入阻抗與饋電網(wǎng)絡(luò)特性阻抗之間的不匹配，將使天線單元的駐波系數(shù)（STWR）或天線單元的反射系數(shù)（）增加。陣列中第i個(gè)天線單元的阻抗方程為： …… （）這可改寫成： （） 式中，為：稱為第i單元的等效阻抗或有源阻抗。寬角阻抗匹配變差和掃描“盲點(diǎn)”效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致相控陣天線可能利用的掃描角域減小。在經(jīng)典的陣列理論中，完全忽略了陣元之間的互耦。本章中將對(duì)諧振型微波光子晶體在相控陣天線中的應(yīng)用作初步的探討，研究諧振型微波光子晶體改善相控陣天線掃描特性的可能性?，F(xiàn)在在執(zhí)行窗口Solve后會(huì)出現(xiàn)對(duì)勾，表示已經(jīng)解好了。設(shè)置材料，為了徹底設(shè)置本征模問題，必須對(duì)幾何模型中的每一個(gè)三維物體都要進(jìn)行材料設(shè)置。從Post Process菜單中選擇下列后處理中的一個(gè)：Fields訪問三維后處理，你可以顯示圖形的輪廓，色彩濃淡，矢量，對(duì)應(yīng)于距離的值，以及生動(dòng)的場(chǎng)圖。使用setup Solution命令來(lái)具體說(shuō)明問題的解是如何進(jìn)行計(jì)算的。結(jié)構(gòu)的本征?；蛑C振解。圖中陰影區(qū)域就是求解典型的正方形貼片光子晶體結(jié)構(gòu)得到的表面波帶隙，在這個(gè)帶隙對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，任何模式的表面波均無(wú)法在結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鞑?。但是?dāng)激勵(lì)頻率接近諧振頻率時(shí)，表面阻抗非常高，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，兩種模式的表面波均不能在其表面?zhèn)鞑?，就形成了表面波帶隙。而頻域方法在分析本征值問題上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，比如上面提到的有限元、矩量法。光子晶體最根本的特性是頻率帶隙，而頻率帶隙可以通過其能帶結(jié)構(gòu)來(lái)描述（一般用于無(wú)限大的理想光子晶體結(jié)構(gòu)），也可以通過傳輸特性來(lái)描述（一般針對(duì)于有限結(jié)構(gòu)或器件）。這種EBG往往通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，使得其單元可等效為諧振特性比較強(qiáng)的并聯(lián)LC電路，以增加單元的諧振性能，然后利用單元諧振時(shí)電抗無(wú)窮大的特性，阻止諧振頻率附近的電磁波傳播，以形成頻率帶隙。1. 3 微波頻段的光子晶體光子晶體最初是在光學(xué)領(lǐng)域提出的，但是由于光學(xué)波段的尺度很小，加工工藝要求高，所以人工制作光子晶體存在一定的困難。因此，在實(shí)際計(jì)算中，只對(duì)簡(jiǎn)約布里淵區(qū)的邊界點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)部點(diǎn)的解將限于邊界點(diǎn)解的曲線所確定的頻率范圍內(nèi)。 能帶結(jié)構(gòu)主方程的本征函數(shù)可以通過Bloch矢量來(lái)分類， Bloch矢量也可以用來(lái)標(biāo)記相應(yīng)的本征值，為能量譜。這就是Bloch－Floquet原理的表現(xiàn)形式?？梢宰C明，是正定的厄米算子，其本征值是非負(fù)實(shí)數(shù)，并且存在完備的正交本征函數(shù)系。當(dāng)光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)中存在缺陷時(shí)，在光子晶體帶隙中將出現(xiàn)缺陷模式（Defected Mode），這也是光子晶體的一個(gè)很重要的特性[5,6]。在半導(dǎo)體材料中由于周期勢(shì)場(chǎng)作用，電子會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能有能隙。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。 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。1. 3 微波頻段的光子晶體 6167。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。本文主要針對(duì)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。接著采用光子晶體的帶隙特性對(duì)天線單元之間互耦的減小進(jìn)行研究。 光子晶體中的Maxwell方程 3167。 兩個(gè)波導(dǎo)端頭縫隙間的互耦分析 20167。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(lái)，引起了世界各國(guó)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)。167。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(chǎng)模式存在，這個(gè)范圍就是所講的光子帶隙。167。在光子晶體中，由于具有周期性，則與互易，從而具有共同的本征函數(shù)，且這些共同本征函數(shù)組成完全系。、二維、三維光子晶體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)約布里淵區(qū)。例如，時(shí)間反演不變性導(dǎo)致，這意味著計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將布里淵區(qū)簡(jiǎn)縮為僅包含非負(fù)的Bloch矢量。第三部分（M→Γ），βx、βy =π/a→0，沿著對(duì)角線的方向（450）。關(guān)于EBG的帶隙形成機(jī)理，根據(jù)目前的理論分析，可分為兩種基本類型：第一種為Bragg散射機(jī)理，此時(shí)帶隙的產(chǎn)生主要是因Bragg散射引起，單元的周期性排列引起散射波相位的周期性分布，在特定頻率和特定方向上，各單元的散射波造成反相疊加，互相抵消，從而使得電磁波不能傳播，形成頻率帶隙?？傊?，這種諧振型EBG結(jié)構(gòu)，與Bragg散射型結(jié)構(gòu)相比，可控制參數(shù)比較多，設(shè)計(jì)的自由度大，因此在微波電路、微波器件、天線等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中具有更大的優(yōu)勢(shì)。本文的研究重點(diǎn)是微波光子晶體的帶隙特性，所以這里主要分析本征模式特性。等效電容C與等效電感L的估算公式可由保角變換理論以及經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論得出，這里對(duì)其推導(dǎo)過程不再贅述，只給出其估算公式：（）（）其中a為周期長(zhǎng)度，w為正方形貼片邊長(zhǎng)，g為相鄰貼片之間的縫隙寬度，與分別為結(jié)構(gòu)表面上方覆蓋層（一般為空氣）與下方介質(zhì)基板的介電常數(shù)，t為介質(zhì)基板的厚度。第二部分（X→M），βx已經(jīng)變化到了π/a，βy = 0→π/a，表示從x方向開始的范圍的空間。使用Ansoft HFSS，應(yīng)該計(jì)算：基本電磁場(chǎng)數(shù)值解和開邊界問題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射問題。使用Draw命令，訪問三維模型，并畫出具體幾何形狀的物體。使用Matrix（Eigen Modes為求解本征模問題），Convergence，和Profile按鍵來(lái)瀏覽下列信息：每一個(gè)自適應(yīng)解中的計(jì)算參數(shù)。這些命令必須按他們出現(xiàn)的順序選擇。這使得你可以監(jiān)視求解過程。在相控陣天線中，由于輻射單元之間存在互耦，陣列的有源阻抗會(huì)隨掃描角而顯著變化，當(dāng)掃描角度比較大的時(shí)候，天線的寬角阻抗匹配變差，限制天線的掃描范圍。當(dāng)兩個(gè)天線都處于接收狀態(tài)時(shí)，兩天線也都會(huì)再發(fā)射出一部分能量。此外在某些角度上，還可能由于“表面波”與Floquet模式相位匹配而發(fā)生強(qiáng)制諧振效應(yīng)，出現(xiàn)天線的完全失配，造成相控陣無(wú)法在該角度上有效的輻射出能量。因此，陣列天線中各單元之間的互耦效應(yīng)是相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)重要研究課題，對(duì)于要獲得低副瓣或超低副瓣的相控陣天線更是如此。當(dāng)單元之間沒有互耦時(shí)，阻抗矩陣Z等于，為： （）它與有互耦時(shí)的阻抗矩陣Z有差別。顯然，它與i單元和k單元之間的間距有關(guān)。為了估計(jì)產(chǎn)生“盲角”的條件，由式（）可見，當(dāng) （）時(shí)，有源反射系數(shù)將達(dá)到最大值，即此時(shí)在角度上（或在上）天線波瓣將變得最小而出現(xiàn)“盲視現(xiàn)象”。由于單元間互耦的影響，使天線單元在陣中的性能與孤立單元的性能大不相同， 耦合系數(shù)隨掃描角的變化而變化，導(dǎo)致了陣中單元的方向圖及反射系數(shù)都成為掃描角的函數(shù)。本節(jié)研究諧振型微波光子晶體在減小天線單元和天線陣面間互耦的作用。其次，對(duì)于平行排列的波導(dǎo)端頭縫隙天線（，），加載不同層數(shù)的EBG結(jié)構(gòu)后，對(duì)耦合系數(shù)的改善效果不同，層數(shù)越多，耦合系數(shù)改善越明顯。采用的EBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：基板介電常數(shù)，基板厚度mm，正方形金屬貼片寬度mm，相鄰貼片間縫隙mm。不同的是，波導(dǎo)端頭之間原本使用理想導(dǎo)體的接地面，這里用EBG結(jié)構(gòu)代替。采用高阻接地面之后，對(duì)天線的E面掃描特性沒什么大的影響。 小結(jié)本章初步探討了諧振型微波光子晶體在相控陣天線中的應(yīng)用。光子晶體是一門蓬勃發(fā)展的新興的學(xué)科，所面臨的未知問題也很多。[19] 李建瀛，梁昌洪， 矩形波導(dǎo)縱縫陣列的矩量法分析和設(shè)計(jì)，電子科學(xué)學(xué)報(bào)，, ,1998: 408432.[20] 郭燕昌，錢繼曾，黃富雄， 馮祖?zhèn)? 相控陣和頻率掃描天線原理，國(guó)防工業(yè)出版社，1978,143164.。光子晶體在天線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用需要更深入的研究。諧振型微波光子晶體的頻率帶隙可以被用來(lái)抑制相控陣天線單元之間的互耦，改善天線的掃描特性。從結(jié)果可以看出，理想導(dǎo)體接地面的天線陣在H面的掃描寬角匹配存在問題。對(duì)設(shè)計(jì)的EBG