电磁波在横向突变波导与平面多层结构中的传播理论研究

发布时间：2020-11-02 08:35

　　 不均匀介质中的电磁波传播理论分析在无线通信、微带电路等诸多领域中都有着重要的应用。近几十年,国内外对高频电路中天线、电磁波传播分析的研究较多,而对于低频电磁波传播分析的理论研究相对较少,有必要对其深入研究下去;另一方面,随着新材料的发现,表面波在多层电路结构中的应用引起了越来越多的关注。本文围绕着不均匀介质中电磁波理论的传播问题,主要对甚低频电磁波在突变等效电离层高度下的地-电离层波导中的传播特性,以及吸附表面波在平面多层结构中的求解方法进行了研究。现将主要工作总结如下:1、研究了甚低频电磁波在地-电离层波导中的传播特性。由于电离层在地磁场影响下呈各向异性特性,TM波与TE波发生耦合,论文研究了地磁场强度对甚低频电磁波的衰减率、相速度等特性的影响,并研究了电磁波在空间传播形成场强干涉的分布情况。2、推导了昼夜不均匀波导端口连接处模转换系数的表达式。基于爱里函数描述下甚低频电磁波场表达式,利用边界条件,对端口进行分析,推导出“突变”波导模转换系数的表达式;进而,利用积分变换,将“突变”波导情况的模转换系数推广至“缓变”波导的情况,最后,通过数值计算讨论了各阶模转换影响的大小。3、进一步,基于模转换系数,求解了跨越昼夜过渡区甚低频电磁波在地-电离层波导中的反射总场及散射总场。研究了甚低频电磁波在传播路径上的模转换干涉现象,计算了模转换干涉后甚低频电磁波的幅度和相位,通过与实测数据的对比,验证了方法的可行性。4、研究了垂直电偶极子在平面分层介质中激励电磁波的解析求解方法。对平面三层介质模型中极点随中间介质层厚度变化规律进行了研究,利用网格剖分,改进了传统算法对极点与涂敷介质层厚度的对应关系;分析了垂直电偶极子激励下平面N层介质中电磁场的Sommerfeld积分,于空气与介质分界面上分别讨论了直达波、理想反射波、侧面波和吸附表面波分量的求解方法,通过算例,说明电磁波各分量的传播特性及其对总场的影响贡献的大小。5、研究了平面N层介质中极点的解析求解方法。利用数学推导,建立了基于广义系数的改进极点方程,从而,将原本多次嵌套的方程求解问题转化为简单的函数迭代关系。通过对极点表达式的化简过程,大大简化了数值和解析方法对极点求解的难度,为平面多层结构应用设计提供一定的理论参考和帮助。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN011
【部分图文】：

随着新材料的发现，以及高频电路中多层结构应用，电磁波传播理论在平面多层结构??中的应用也逐渐成为研究热点。例如，多层电路结构中常见的低温共烧陶瓷（Ｌｏｗ?Ｔｅｍ？??ｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ?Ｃｅｒａｍｉｃ，?ＬＴＣＣ）?的简化模型，?二极管芯片电路结构?（如图１－２）?等都可与电－??磁波在平面多层结构中传播分析相联系。尤其是近来中国科学院黄维院士等人基于对发光??二极管（Ｌｉｇｈｔ?Ｅｍｉｔｔｉｎｇ?Ｄｉｏｄｅ，?ＬＫ））的理论分析，成功引进新材料钙钬矿用于发光二极管电??路设计当中，实现导波分量抑制的同时，将外量子效率提高到２０．７％，较国际同行提升近??一半，成果近日在国际学术刊物《自然〉〉正刊发表［３］。如图１－２所示，即为二极管剖面图，??２??

?（ｂ）?（ｃ）??图１－１甚低频电磁波在自由空间中传播的应用。（ａ）?“地－电离层波导”传??播模型；（ｂ）甚低频导航系统；（ｃ）甚低频导航台１２１。??《简氏防务周刊》２０１８年６月１４日报道１２１，美国国防部先进技术局（ＤＡＲＰＡ）宣布将成立新??研究机构，开始研制在ＧＰＳ?（Ｇｌｏｂａｌ?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ，?ＧＰＳ）无法使用或严重干扰条件下，使??用甚低频电磁波实现精确定位、导航和授时（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?ａｎｄ?Ｔｉｍｉｎｇ，?ＰＮＴ）的技??术（如图ｌ－ｌ（ｂ）、图ｌ－ｌ（ｃ））。可见，甚低频电磁波在无线通信中发挥着日益重要的作用。而??研究远距离传播路径中“地－电离层波导”的不均匀性对研究甚低频电磁波的传播特性具??有重要意义，并可以进一步改善和提高甚低频电磁波在实现上述定位、导航等技术中理论??计算的精确性。??此外，在实际计算中，我们还常常遇到电磁波在平面分层介质中传播的问题，这种模??型的建立是对实际应用的抽象得出。例如：在覆盖冰层的海面上进行长波传播的研究；在??覆盖沥青的马路上或者有一层泥沙的地面上进行的超短波的传播的研究；在覆盖了冻土层??的沼泽地上的电磁波传播的研究；在覆盖了落叶层的森林环境中进行的电磁波的传播，以??及在应用非常广泛的微带电路中的场分析等等。这类问题均可看作是电磁波在三层介质中??传播的问题

图１－３表面波传播的应用。??早在１９０７年，Ｚｅｍｉｅｃｋ便定义了沿两层不同的介质分界面有可能存在一种表面波［１１６］。??例如微波沿介质波导传播，或沿光纤的传播等等，如图１－３所示，这些都是典型的表面波。??而作为三层介质中的表面波则是由极点的留数所决定，有些学者称之为吸附表面波，也有??些学者称之为表面波［１１６１２１］。近年来，对两层Ｚｅｉｍｅｃｋ表面波传播的研究相对较少［１２１］。本文??中主要讨论对三层及多层介质中的表面波的估值，仅对吸附表面波进行了研究，故沿用??Ｋｉｎｇ，?Ｗａｉｔ，?Ｃｏｌｌｉｎ等人的说法，称之为吸附表面波。本文基于上述研究基础，将重点对吸??附表面波进行理论研究，根据Ｗａｉｔ在文献［７９］中给出的空气与介质分界面表面阻抗的表达??式，在定义极点方程时以嵌套的形式出现，这对于求解多层介质中的极点带来困难，因此，??解析求解方法对于多层介质而言存在局限性。目前，国内外研究多层介质中电磁波传播问??題还是以数值方法居多［１２２?１３８］。其中
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本文编号：2866810