平面四层介质中电磁波传播分析与天线设计应用

发布时间：2020-08-21 01:52

【摘要】：近年来,随着分层介质中的电磁传播问题在地质勘探、海底探测、潜艇通信和微带电路等许多的领域中有着重要应用,人们对这个问题的理论认识日渐深入。伴随着吸附表面波概念的提出,三层结构的理论研究得到广泛的应用,然而,对于四层结构的研究,学术界存在一定的分歧。因此,本文基于平面四层模型研究了垂直电偶极子激励的电磁场的理论结果,并设计了一款基于三层介质结构的封装天线。主要的研究工作总结如下:第一,介绍了四层介质中的电磁场表达式解析解的研究背景和应用,研究了四层介质中电磁场的解析结果,对覆盖下水管道的地表建模,并进行电磁场分析,给出相应的结论。值得指出的是,本文给出了直达波、理想反射波、侧面波、吸附表面波的频域解,并且接着给出了远区场的数值计算结果。最后,本文将上述过程得出的结果与常见模型的传播特性进行对比,分析它们之间的差异,对学术界存在的争议给出了可能的解释。第二,在四层介质电磁波的解的基础上,针对天线的传播问题,给出面天线等效为电偶极子叠加的场因子的理论推导,并给出了单位电偶极子激励下电磁波在四层介质模型空气层中的空间分布。研究了线天线的分析方法,为第三部分的天线设计做铺垫。第三,设计了一款基于三层介质的封装天线。本文对于所设计的天线物理模型推导了外层介质和三层介质封装天线分界面处的输入阻抗,并给出了计算结果。尾篇,简述了该论文的主要研究内容,并且进一步指出了本文的研究所不足的地方,同时对后面可以继续展开的研究工作作出了一定的展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN011;TN820
【图文】：

示意图,侧面波,传播路径,示意图

图１．１：侧面波传播路径示意图逡逑如图ｌ．ｉ所示，物理模型为对于位于地层中距离边界（空气和地层）很近的偶极子侧面波的传播路径。其中，侧面波作为总场中的主项，对半空间中的电磁波传播问题有逡逑要意义。逡逑侧面波是当发射天线、接收天线全都放置在有耗介质中时，电磁波的主要传播模式，如在海水、岩石中的电波传播，传播方式是首先从发射天线向上传播，电波穿过有耗介逡逑层到徸空气层，然后沿着有耗介质层和空气层中的分界面进行传播，当传播到接收天线逡逑方位置时，电波再往下进行穿透，穿过有耗介质层到达接收天线的位置。逡逑在１９９２年Ｋｉｎｇ等人出版的专著中详细研究了两层和三层介质中偶极子源所激励的电逡逑场求解问楲。值得一提的是，他给出的侧面波项可表述为包含菲涅尔积分的近似表达式逡逑２４１。该专著中详尽阐述了在两层和三层介质中的垂直电偶极子和水平电偶极子所激励逡逑侧面波ｌ２５Ｗ３Ｇ１。此外，Ｋｉｎｇ和Ｗｕ还推导出了在半空间中，位于地上、地下的水平电偶极逡逑、垂直电偶极子所激励的电磁波的精确解表徸式，并能够精确的应用于工程计算。具体逡逑

示意图,侧面波,传播路径,反射波

逦接收偶极子逡逑图１．２直射波、理想反射波、侧面波传播路径示意图逡逑图１．２中清楚地给出了这三yL波的传播路径，Ｋｉｎｇ在他的专著［４０］中介绍到，这种侧面逡逑波的传播是沿着损耗较小的一侧介质传播的，其幅度值随着距离的变化规律可以用菲涅尔逡逑积分或者误差函数来表示。Ｋｉｎｇ的理论已被学术界所广泛接受，并经过了很多学者验证。逡逑１．２．２三层介质中的吸附表面波逡逑然而，对于三层或多层的介质结构而言，其电磁波的传播问题将变得更为复杂。如图逡逑１．３所示为水平电偶极子激励下三层介质摸型。１９９４年，Ｋｉｎｇ和Ｓａｎｄｌｅｒ发表了他们的研究逡逑成果［４１］，并指出对于图１．３中模型而言：当三层介质中的中间层厚度不大时，远处接收到逡逑的电磁场将以侧面波的形式沿着介质表面传播，并且是以／Ｔ２衰减传播。然而在１９９８年，逡逑”３丨１［２（）］提出了新的观点

示意图,三层介质,模型,示意图

区域１岩石层逦接收偶极子逡逑图１．２直射波、理想反射波、侧面波传播路径示意图逡逑图１．２中清楚地给出了这三yL波的传播路径，Ｋｉｎｇ在他的专著［４０］中介绍到，这种侧面逡逑波的传播是沿着损耗较小的一侧介质传播的，其幅度值随着距离的变化规律可以用菲涅尔逡逑积分或者误差函数来表示。Ｋｉｎｇ的理论已被学术界所广泛接受，并经过了很多学者验证。逡逑１．２．２三层介质中的吸附表面波逡逑然而，对于三层或多层的介质结构而言，其电磁波的传播问题将变得更为复杂。如图逡逑１．３所示为水平电偶极子激励下三层介质摸型。１９９４年，Ｋｉｎｇ和Ｓａｎｄｌｅｒ发表了他们的研究逡逑成果［４１］，并指出对于图１．３中模型而言：当三层介质中的中间层厚度不大时，远处接收到逡逑的电磁场将以侧面波的形式沿着介质表面传播，并且是以／Ｔ２衰减传播。然而在１９９８年，逡逑”３丨１［２（）］提出了新的观点

【相似文献】