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人工磁导体在电磁辐射及散射问题中的应用研究

作　者: 张泳
导　师: 王秉中
学　校: 电子科技大学
专　业: 无线电物理
关键词: 人工磁导体 Fabry-Pérot天线圆极化雷达散射截面反射屏
分类号: O441
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor, AMC),以其在特定频率的零反射相位特性,受到广泛关注和研究,已被用于电磁传输、辐射和散射问题的研究中。本文主要对AMC用于天线性能改善和降低反射屏雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)展开研究。论文首先介绍了当前超材料的研究和发展应用的状况;对AMC的原理和设计方法、Fabry-Pérot(F-P)天线的发展状况、降低目标RCS的研究现状加以阐述;然后介绍了本文所使用的数值方法和仿真系统。如果用AMC结构取代传统F-P天线的金属地板,能够将F-P天线高度降低一半。文中总结了F-P天线的设计方法。通过射线模型,介绍了F-P天线的工作原理,构造了多种F-P腔体,包括不同腔体尺寸、不同覆层材料和不同AMC的腔体。应用周期镜像法和接收模式法对腔体进行分析;分别研究了偶极子天线和微带天线用于腔体激励,对于尺寸较大的腔体,两个天线激励较单个天线激励更能有效提高F-P天线的增益;利用AMC的相位特性,在天线增益损失不大的前提下,能够将F-P天线的高度进一步降低;设计了几种利用单个微带天线激励的F-P天线,并加工测试,实测与仿真结果吻合较好。研究了多种人工地板在偶极子和微带天线设计中的应用,包括含金属背板的普通介质地板、方环AMC地板和螺旋AMC地板。根据螺旋AMC地板的反射幅度和相位特性,设计了圆极化的偶极子天线。相比于普通介质地板,方环AMC和螺旋AMC地板有效降低了贴片天线的工作频率,并保持矩形贴片线极化特性不变。利用螺旋AMC地板,不但能够降低天线的工作频率,还能在另外的频率使得天线辐射圆极化电磁波,因此螺旋AMC地板使得天线具有双频双极化特性。两个不同圆极化的微带天线经加工测试,实测与仿真结果吻合较好。研究了混合AMC在低RCS反射屏设计中的应用。利用不同AMC结构之间的相位差特性,使得能量在一些方向相互抵消,并往别的方向传播,从而某些方向上RCS被减小。将两种AMC块按照棋盘式分布构成反射屏,实现了电磁波正入射时,单站RCS在较宽频带内的缩减,能量被转移到平面的4个对角方向;将不同AMC块按照风扇结构排列构成反射屏,使得电磁波被反射到更多方向;研究了斜入射条件下,两个反射屏的RCS特性;利用阵列方法,建立不同AMC块任意分布的反射屏特性的计算模型;研究了AMC块随机分布对结果的影响,并与软件计算结果进行比对,吻合较好,验证了该方法的有效性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-29
  1.1 研究背景及意义  11-16
  1.2 主要研究现状  16-26
    1.2.1 AMC 相关原理及设计  16-20
    1.2.2 F-P 高增益天线的发展及应用  20-22
    1.2.3 人工地板在天线中的应用概况  22-24
    1.2.4 降低目标RCS的研究概况  24-26
  1.3 相关数值方法及软件简介  26-27
  1.4 本文主要研究内容  27-29
第二章 AMC 在F-P 天线设计中的应用研究  29-59
  2.1 引言  29-33
    2.1.1 F-P 天线的构成  29-30
    2.1.2 射线模型  30-31
    2.1.3 模式分析法  31-33
  2.2 F-P 腔体特性分析  33-42
    2.2.1 F-P 腔体参数设定  33-35
    2.2.2 F-P 腔体特性研究  35-42
  2.3 不同激励的F-P 天线研究  42-51
    2.3.1 偶极子天线激励  43-47
    2.3.2 微带天线激励  47-51
  2.4 实验验证  51-56
  2.5 超薄F-P 天线的研究  56-57
  2.6 小结  57-59
第三章人工地板在圆极化天线设计中的应用研究  59-77
  3.1 人工地板的构造及性能研究  59-63
    3.1.1 介质基板和方环AMC  59-60
    3.1.2 螺旋AMC  60-63
  3.2 人工地板对线天线性能影响的研究  63-68
    3.2.1 介质和方环AMC 地板  64-65
    3.2.2 螺旋AMC 地板  65-68
  3.3 人工地板在微带天线设计中的应用研究  68-76
    3.3.1 介质和方环AMC 地板  69-70
    3.3.2 螺旋AMC 地板  70-76
  3.4 小结  76-77
第四章混合AMC 反射屏的研究  77-104
  4.1 阵列设计方法的应用  77-81
    4.1.1 阵列设计方法用于反射屏分析  77-79
    4.1.2 相位差对反射屏的影响  79-80
    4.1.3 AMC 块大小的影响  80-81
  4.2 棋盘式宽带低RCS反射屏的设计与研究  81-86
    4.2.1 AMC 单元的设计  81-83
    4.2.2 不同数目AMC 的研究  83-85
    4.2.3 棋盘式双AMC 反射屏的电磁特性  85-86
  4.3 风扇型低RCS反射屏的设计与研究  86-92
    4.3.1 风扇型双AMC 反射屏的设计  86-87
    4.3.2 风扇型双AMC 反射屏的特性  87-90
    4.3.3 混合AMC 反射屏反射率测试  90-92
  4.4 斜入射对反射屏散射特性影响研究  92-94
    4.4.1 棋盘式反射屏  92-93
    4.4.2 风扇型反射屏  93-94
  4.5 阵列原理用于混合AMC 反射屏的设计  94-102
    4.5.1 平面阵模型  95
    4.5.2 不同分布特性研究  95-97
    4.5.3 实例验证  97-102
  4.6 小结  102-104
第五章总结与展望  104-107
  5.1 本文工作总结  104-105
  5.2 下一步工作展望  105-107
致谢  107-108
参考文献  108-116
攻博期间取得的研究成果  116-117

人工磁导体在电磁辐射及散射问题中的应用研究

内容摘要

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