光子晶體在相控陣天線中的應用研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，表面阻抗表現為容抗，表面上能支持TE模表面波的傳播。但是當激勵頻率接近諧振頻率時，表面阻抗非常高，在這個頻率范圍內，兩種模式的表面波均不能在其表面傳播，就形成了表面波帶隙。下面簡單介紹一下通過計算獲取表面波帶隙的思路，利用周期邊界條件，對一個單元建模，給定一個矢量，就可以求解出結構本征模。使矢量沿布里淵區的邊界（ΓΧΜΓ）取值，則就可以求解出結構的所有本征模。由于我們關心的是表面波帶隙，所以只取小于光速傳播的模式。圖中的第一部分（?！鶻），βx從0到π/a變化，也就是在陣列中表示沿x方向，相應的βy = 0。第二部分（X→M），βx已經變化到了π/a，βy = 0→π/a，表示從x方向開始的范圍的空間。第三部分（M→Γ），βx、βy =π/a→0，沿著對角線的方向（450）。而圖中的兩條斜線（實線表示）代表了自由空間的光速，斜率小于這兩條斜線的區域為慢波區，對應了表面波傳播的范圍。圖中陰影區域就是求解典型的正方形貼片光子晶體結構得到的表面波帶隙，在這個帶隙對應的頻率范圍內，任何模式的表面波均無法在結構表面傳播。 有限元法計算光子晶體結構表面波帶隙的模型：w=，g=，t=2mm，r=，，無覆蓋層，也即上層為空氣。，用實線代表光線，帶隙用陰影區繪出。 光子晶體結構的表面波帶隙第二章 Ansoft HFSS軟件簡介Ansoft HFSS[12]是一個計算電磁結構的交互軟件包。計算模擬器還包括分析電磁結構細節問題時的后處理命令。使用Ansoft HFSS，應該計算：基本電磁場數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題。端口特征阻抗和傳輸常數。S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數。結構的本征?；蛑C振解。當畫出結構，明確每一個物體的介質參數，建立端口標識，源或者具體的表面特征時，本系統可以產生必要的場解。當你建立一個問題時，Ansoft HFSS可以允許你指定一個頻段內的一個或幾個頻率點。Ansoft HFSS可以有效的運行在UNIX工作站和PC機的WINDOWS下。Ansoft HFSS軟件的使用方法一、創建本征模項目進入項目管理器創建項目目錄創建項目二、畫圖和求解通過這個一般步驟可以定義和求解具體問題：選擇軟件：可以選擇Driven Solution或Eigenmode solution模式。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Setup Materials命令來設置每一個三維物體幾何模型的材料特性。使用Setup Boundaries/Sources命令來設置源和邊界。使用setup Solution命令來具體說明問題的解是如何進行計算的。對于本征模來說，也就是：確定開始尋找本征模的最小頻率和本征模的個數。確定求解的標準，例如，途徑的個數，四面體所占的百分比等等。選擇求解中使用哪一種有限單元網格。使用Solve命令來求解與本征模問題有關的場域。使用Matrix（Eigen Modes為求解本征模問題），Convergence，和Profile按鍵來瀏覽下列信息：每一個自適應解中的計算參數。兩個自適應解之間的參數區別。 CPU使用，內存尺寸等的統計。從Post Process菜單中選擇下列后處理中的一個：Fields訪問三維后處理，你可以顯示圖形的輪廓，色彩濃淡，矢量，對應于距離的值，以及生動的場圖。Matrix Data訪問Matrix Data Post Processor，你可以看到在每一個自適應解中計算S參數的矩陣、阻抗、和傳播常數。在本征模問題中不涉及這一項。Matrix Plot訪問Matrix Plot Post Processor，你可以畫出許多對應于時間和頻率的參數圖。在本征模問題中不涉及這一項。這些命令必須按他們出現的順序選擇。例如，你必須用Draw先創建幾何模型，然后才能用Setup Materials設置物體的材料特性。每一步完成后，系統都會在其后畫個對號。設置材料，為了徹底設置本征模問題，必須對幾何模型中的每一個三維物體都要進行材料設置。設置邊界，定義完材料屬性后，必須說明邊界條件。因為幾何體周圍是有耗導體，軟件中缺省的邊界定義（默認值）的是暴露于背景物體的一部分，我們要改變邊界以模擬有耗的材料，例如鐵、銅。三、生成解在執行窗口選擇Solve。當求解時，在Solution Monitoring就會出現進度條。這使得你可以監視求解過程。請注意和進度條同時出現的信息，描述了求解過程的不同階段。當求解完成后，就會出現以下信息：Solution process plete選擇OK。現在在執行窗口Solve后會出現對勾，表示已經解好了。注意：在求出一次解后，除非你先刪除此解，否則系統是不允許你改變幾何結構，材料特性或者邊界條件的。例如，如果你要改變已經求解的問題的幾何結構，在你保存了對新的幾何結構的修改后，肯定會產生一個新解。第三章 微波光子晶體改善相控陣天線掃描特性相控陣天線從提出至今已發展了幾十年，現在仍然受到人們的廣泛關注，因為它所具有的優點在今天仍然很有意義。相控陣天線波束的掃描直接受計算機控制，具有很大的靈活性，使它具備了快速搜索、跟蹤、可變波束寬度、合理的功率管理、邊掃描邊跟蹤、多目標跟蹤等優點。在相控陣天線中，由于輻射單元之間存在互耦，陣列的有源阻抗會隨掃描角而顯著變化，當掃描角度比較大的時候，天線的寬角阻抗匹配變差，限制天線的掃描范圍。有時還可能在特定的角度上會出現完全失配，從而造成相控陣天線在該角度上不能有效的輻射出能量，出現掃描的“盲點”，這一個特點同樣嚴重影響了相控陣天線的掃描特性。既然相控陣天線的有源阻抗變化是由于單元互耦引起的，諧振型微波光子晶體存在的頻率禁帶可以有效的抑制天線之間的互相耦合，因此諧振型微波光子晶體就有可能在改善相控陣天線掃描特性中發揮重要的作用。本章中將對諧振型微波光子晶體在相控陣天線中的應用作初步的探討，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。167。 陣列天線中天線單元之間的互耦及其影響天線是在功率源和自由空間之間進行良好匹配的變換裝置。天線的性質決定了當兩個天線放在一起的時候，一個發射則另一個將會接收到一些發射來的能量，接收能量的多少取決于天線之間的距離和相對的方向性。根據天線的互易定理可知，兩個天線都在發射時，它們會同時接收到相互間的發射能量。當兩個天線都處于接收狀態時，兩天線也都會再發射出一部分能量。當天線單元處于由許多單元所組成的相控陣天線中時，這就形成了相控陣天線單元之間的能量相互交換。這種效應就稱之為陣列天線的“互耦”[13]。在經典的陣列理論中，完全忽略了陣元之間的互耦。因此，陣列天線（包括相控陣天線）的輻射方向圖可以表示為陣因子與單元因子的乘積，這里的單元因子是獨立單元的輻射方向圖，這就是陣列天線中的方向圖相乘原理。然而，實際情況是，相控陣天線是由大量的天線單元組成的陣列，陣中單元所處的環境與獨立單元所處的環境是完全不同的，諸單元之間必然會存在著能量的互相耦合，相控陣天線單元之間的互耦是客觀存在的，是不能被忽略的。天線單元之間的互耦效應的會對相控陣天線的特性[15，16]產生比較大的影響，一般認為會導致：（1）單元的有源輸入阻抗與自由空間的不同，而且隨掃描角(即各個單元的相位配置)而改變；（2）單元的輻射波瓣圖要發生變化；（3）天線的極化特性要變壞。因為天線的輸入阻抗隨掃描角的變化會使饋線和天線失配，有可能給相控陣天線的寬角阻抗匹配[17]帶來不利的影響，從而使陣列的輻射效率降低。此外在某些角度上，還可能由于“表面波”與Floquet模式相位匹配而發生強制諧振效應，出現天線的完全失配，造成相控陣無法在該角度上有效的輻射出能量。對應的，在實驗中也發現，由于互耦的存在，相控陣天線單元在陣中的波瓣有尖而深的凹點存在，相控陣天線的主瓣掃描到陣中單元波瓣的凹點所在的角度上時，輻射能量大為減少，幾乎全部的能量都由饋線所反射。這便是相控陣天線中的“盲點”現象或“強制諧振效應”。寬角阻抗匹配變差和掃描“盲點”效應都會導致相控陣天線可能利用的掃描角域減小。諧振型微波光子晶體的頻率帶隙可以減弱單元之間的耦合，從而提供了一種改善相控陣掃描特性的有效手段。陣列天線方向圖決定于陣列中各天線單元的電流分布和相鄰單元之間的相位差（即沿陣列遞增的相位變化或相位梯度）。各天線單元的激勵電流是由饋電網絡提供的，因此，只有知道天線單元的輸入阻抗，才能根據饋線網絡輸出端的電壓（場強）求出各天線單元的電流。天線單元上的電流分布受到鄰近物體即陣列中其他天線單元的互耦影響。因此，陣列天線中各單元之間的互耦效應是相控陣雷達的一個重要研究課題，對于要獲得低副瓣或超低副瓣的相控陣天線更是如此。對于一個N單元陣列天線，天線單元的電流與饋電網絡所提供的電壓之間的關系，可通過一個N階的阻抗矩陣Z表示： （）或 其中為饋電網絡提供的電壓矩陣；為線陣中N個單元上由電流組成的電流矩陣；Z即式（1）中的阻抗矩陣。在Z矩陣中，為各天線單元的自阻抗，其余為單元之間互耦引起的互阻抗，表示第i個天線單元的由第k個單元引入的互阻抗。陣列中第i個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。顯然，在互耦條件下，與i單元的自阻抗是不同的。因此，為了準確地提供陣列所需天線單元的激勵電流，必須計算和測試單元之間的互耦，求出其有源阻抗。