皺褶圓形槽波導(dǎo)的研究.pdf

1、毫米波及亞毫米波是一個(gè)極具吸引力的頻段。由于頻率高，波長短，頻帶寬等特點(diǎn)，它不但在雷達(dá)，通信及射電天文學(xué)方面有廣闊的應(yīng)用，而且在等離子體加熱方面也有重要的應(yīng)用。為了傳送高功率毫米波，傳統(tǒng)的傳輸線已變得不能滿足實(shí)際需要。東南大學(xué)楊鴻生教授1989年提出圓形槽波導(dǎo)，得到國家自然科學(xué)基金會(huì)立項(xiàng)支持，批準(zhǔn)號為69271013。同年在工SRAMT國際會(huì)議上首次報(bào)導(dǎo)。1997年在圓形槽波導(dǎo)的基礎(chǔ)上又提出一種新型波導(dǎo)——皺褶圓形槽波導(dǎo)，同樣獲得國家自

2、然科學(xué)基金會(huì)立項(xiàng)支持，批準(zhǔn)號為1978500l(高技術(shù))。于2000年IR&MMW國際會(huì)議上首次報(bào)導(dǎo)。 皺褶圓形槽波導(dǎo)在結(jié)構(gòu)上兼具槽波導(dǎo)和皺褶波導(dǎo)的特征，在假設(shè)皺褶厚度無限薄，且皺褶周期遠(yuǎn)小于波長的理想條件下，嚴(yán)紅輝博士分析了皺褶圓形槽波導(dǎo)的傳輸及輻射特性。分析表明，皺褶圓形槽波導(dǎo)可作為一種低損耗、大功率容量的傳輸線應(yīng)用于毫米波和亞毫米波系統(tǒng)。但是，在短毫米波甚至亞毫米波段，由于機(jī)械加工條件的限制，皺褶圓形槽波導(dǎo)每個(gè)波長長度

3、上不可能加載很多數(shù)量的皺褶。實(shí)際上皺褶圓形槽波導(dǎo)的每個(gè)波長長度上一般只有較少的皺褶周期，并有一定的齒寬。此時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)的空間諧波等對傳輸和輻射特性的影響已不容忽略。 本博士論文的主要貢獻(xiàn)是：(1)第一次考慮了皺褶圓形槽波導(dǎo)內(nèi)空間諧波和齒寬厚度的影響，推導(dǎo)出了皺褶圓形槽波導(dǎo)的特征方程；(2)第一次分析了在空間諧波和齒寬厚度的影響下，皺褶圓形槽波導(dǎo)的傳輸特性和輻射特性；(3)第一次設(shè)計(jì)了皺褶圓形槽波導(dǎo)、皺褶圓形槽波導(dǎo)喇叭天線和皺褶圓形

4、槽波導(dǎo)模式變換器，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析符合良好。 第一章，首先概述了槽波導(dǎo)和皺褶波導(dǎo)。然后，回顧了在皺褶周期遠(yuǎn)小于一個(gè)波長的理想條件下，皺褶圓形槽波導(dǎo)的研究情況。最后，根據(jù)實(shí)際上遇到的問題，我們采用空間諧波法來 處理皺褶圓形槽波導(dǎo)，研究空間諧波等因素對傳輸特性及輻射特性的影響。 第二章依據(jù)Floquet定理，在考慮到波導(dǎo)中心區(qū)域的空間諧波等對傳輸及輻射特性影響的基礎(chǔ)上，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了波導(dǎo)的

5、特征方程。根據(jù)波導(dǎo)的特征方程，借助于數(shù)值計(jì)算，我們首先分析了空間諧波對波導(dǎo)傳輸特性的影響程度。計(jì)算結(jié)果表明，是否計(jì)及空間諧波對其特性的影響，它們之間的確存在著不容忽略的差異。但在一般情況下，考慮一階空間諧波的影響已有相當(dāng)?shù)木?，所以在?shí)際工作中取一階近似即可。然后，我們進(jìn)一步詳細(xì)分析了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的各個(gè)幾何參數(shù)對其傳輸特性的影響，研究了波導(dǎo)的低頻截止條件、高頻截止條件、快慢波分界點(diǎn)和波導(dǎo)的衰減特性等，為設(shè)計(jì)皺褶圓形槽波導(dǎo)提供了依據(jù)。我們還畫

6、出了各種情況下的色散曲線和衰減曲線的變化。最后，我們利用諧振腔方法測量了波導(dǎo)的波導(dǎo)波長，通過與理論波導(dǎo)波長相比較，驗(yàn)證了我們的理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。 第三章主要研究由皺褶圓形槽波導(dǎo)構(gòu)成的口徑面天線問題。主要內(nèi)容包括： (1)皺褶圓形槽波導(dǎo)輻射器的遠(yuǎn)區(qū)輻射電磁場和輻射方向圖等； (2)皺褶圓形槽波導(dǎo)喇叭天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場計(jì)算及輻射方向圖等； (3)皺褶圓形槽波導(dǎo)喇叭天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場方向圖和輸入駐波比的實(shí)驗(yàn)測量；(4)計(jì)算

7、了喇叭天線增益的理論值，且和實(shí)驗(yàn)值作了對比。我們設(shè)計(jì)制造了一小張角的8mm波段喇叭天線，用以驗(yàn)證我們的理論分析。在毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用HP85301B天線測試系統(tǒng)，在26.5GHz-40.0GHz的頻率范圍進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型的喇叭天線具有頻帶寬、主瓣增益高、旁瓣幅度低以及方向性好等突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析符合良好。 第四章，分析和設(shè)計(jì)了一個(gè)TE<,11>-HE<,11>模式變換器。它利用一段具有漸變皺

8、褶深度的皺褶圓形槽波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)，通過改變其皺褶深度，使之由深到淺，從而使得它的內(nèi)壁的縱向表面電抗由光壁波導(dǎo)的零電抗逐漸過渡到皺褶波導(dǎo)內(nèi)壁的縱向表面電抗值，從而實(shí)現(xiàn)圓形槽波導(dǎo)中TE<,11>模到皺褶圓形槽波導(dǎo)中HE<,11>模的轉(zhuǎn)化。為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的圓形槽波導(dǎo)一皺褶圓形槽波導(dǎo)模式變換器的變換性能，加工制造了一個(gè)8mm頻段的模式變換器，且在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量了該變換器的散射參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該器件的反射系數(shù)較小，符合理論分析的結(jié)論，且能滿