基于等离子体光子晶体的六端口路径可重构环形器设计
发布时间：2021-09-02 05:37
环形器是一种具有各向异性的微波器件,被广泛应用于雷达、微波通信、无线通信以及无线局域网系统的射频前端部分,实现收发双工之用。传统的环形器采用铁氧体材料,多为三端口,路径少且不可重构。光子晶体以其可人为控制电磁波的独特特性,被广泛应用于微波器件。等离子体材料能实现对不同波段电磁波传播的时空可调性控制,将等离子体材料与光子晶体结构结合在一起,具有比传统铁氧体材料更灵活调谐光子晶体禁带的优势。本文以等离子体光子晶体的理论知识和性质为基础,设计了一种基于等离子体光子晶体的六端口路径可重构环形器,使用COMSOL Multiphysics软件进行了仿真。这种环形器具有六个端口,同一端口入射时有五条不同的路径,可通过改变外加磁场的方向实现路径的重构。通过有限元方法（FEM）推导并分析了电磁波在二维光子晶体中的传播方程,得到光子带隙范围,归一化频率为0.454-0.538（ωα/2πc）,对应于微波频带中的13.62?16.14GHz。可实现五条路径最低插损分别为-0.8881dB、-1.058dB、-1.26dB、-1.1847dB和-0.397dB。在实际应用中,路径可重构环形器具有节省空间,结...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子晶体结构示意图
第1章绪论2制，因此与普通介电体相比，等离子体的PBGs可以进行适当的调整。随着等离子体在工业上的快速发展，目前研究已扩展到等离子体光子晶体（PPCs）这一新兴领域，实验室中二维等离子体光子晶体阵列如图1.2所示。与传统的PCs技术相比，它具有明显的优势。在PPCs中，周期等离子体阵列代替了传统PCs中的介质或金属阵列，在传统的PC上增加了时变可控性和强色散特性，折射率可以通过电磁波频率和等离子体频率来确定，由于具有以上特点，PPCs从2004年起便受到国内外研究人员的广泛关注[4-7]，根据这些特性和等离子体的电子密度可调，PPCs可以利用从微波到THz波的电磁波进行工作，在等离子体透镜[8]、等离子体天线[9]、等离子体隐身飞机[10]等可调谐器件领域，PPCs技术应用正飞速发展。图1.2实验室中的二维等离子体光子晶体阵列1.2研究目的传统环行器是一种重要的各向异性微波铁氧体器件，其利用的是铁氧体的非互易性。电磁波在其内按顺时针（或逆时针）传输，逆时针（或顺时针）则隔离，称为各向异性。由于这种特性其被广泛应用于雷达、微波通信、无线通信以及无线局域网系统的射频前端部分，实现收发双工之用。环形器的原理是通过隔离输入和输出信号来保护源信号免受不必要的反射，传统环形器使用铁氧体材料在磁场激励下实现电磁波的各向异性偏置。由于等离子体在外加磁场下表现出很强的各向异性，因此，我们考虑使用等离子体材料代替铁氧体材料成为环行器的一部分，通过改变外磁场的方向实现环行器路径的可重构性。传统的环形器多为三端口，路径少且不可重构，灵活性较弱，为此我进行了六端口路径可重构环形器的研究设计。在实际应用中，路径可重构环形器具有节省空间，结构紧凑，集成化程度更高等优点。因此多端口路径可重构环形器设计的工?
第2章等离子体光子晶体结构及特性5第2章等离子体光子晶体结构及特性2.1光子晶体简介光子晶体是一种具有不同折射率的规则排列的材料。光子在光子晶体（PCs）中的运动类似于电子在普通晶体中的运动，这些晶体由规则的晶格阵列组成。因此，光子带隙（PBGs）类似于普通晶体中出现的电子带隙，它是电磁波在PCs中禁止传播的频率范围。当在PCs中引入晶格缺陷时，晶格缺陷将允许存在于PBGs中的具有一定谐振频率模式的电磁波工作。2.1.1光子晶体结构PCs按介质周期分布的维度可分为1D-PCs、2D-PCs和3D-PCs[24]，A、B两种不同介质薄膜在同一方向上周期分布称为1D-PCs，1D-PCs的光子禁带只能在某一方向上产生，1D-PCs的研究目前已经非常透彻了，应用如分布布拉格光栅；A、B两种不同介质在两个垂直方向上分别周期排布称为2D-PCs，常见结构分为空气中介质柱排列型和介质板中空气孔排列型，空气中介质柱排列型PCs是由两个不同介电常数的介质柱周期排列而成，而介质板中空气孔排列型PCs则是在均匀介质板中周期性排布空气孔构成，为了便于计算和制造，介质柱和空气孔的截面一般都使用正圆形，偶尔使用其他对称形状，2D-PCs可以在某一平面内的两个方向上产生PBGs，从而控制光在这两个方向的传播；A、B两种不同介质在三个方向上均周期排布称为3D-PCs，它能够在三个维度产生PBGs，但目前制备工艺还不够成熟，实用性比2D-PCs结构稍弱一些。图2.1光子晶体一维、二维、三维结构图图2.2二维光子晶体介质柱型和空气孔型
【参考文献】：
期刊论文
[1]横磁模式下二维非磁化等离子体光子晶体的线缺陷特性研究[J]. 章海锋,刘少斌,孔祥鲲. 物理学报. 2011(02)
[2]非磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究[J]. 马力,章海锋,刘少斌. 物理学报. 2008(08)
[3]氩气放电中四边形发光斑图形成过程研究[J]. 董丽芳,范伟丽,李雪辰,高瑞玲,刘富成,李树锋,贺亚峰. 物理学报. 2006(10)
本文编号：3378419
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：46 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光子晶体结构示意图
第1章绪论2制，因此与普通介电体相比，等离子体的PBGs可以进行适当的调整。随着等离子体在工业上的快速发展，目前研究已扩展到等离子体光子晶体（PPCs）这一新兴领域，实验室中二维等离子体光子晶体阵列如图1.2所示。与传统的PCs技术相比，它具有明显的优势。在PPCs中，周期等离子体阵列代替了传统PCs中的介质或金属阵列，在传统的PC上增加了时变可控性和强色散特性，折射率可以通过电磁波频率和等离子体频率来确定，由于具有以上特点，PPCs从2004年起便受到国内外研究人员的广泛关注[4-7]，根据这些特性和等离子体的电子密度可调，PPCs可以利用从微波到THz波的电磁波进行工作，在等离子体透镜[8]、等离子体天线[9]、等离子体隐身飞机[10]等可调谐器件领域，PPCs技术应用正飞速发展。图1.2实验室中的二维等离子体光子晶体阵列1.2研究目的传统环行器是一种重要的各向异性微波铁氧体器件，其利用的是铁氧体的非互易性。电磁波在其内按顺时针（或逆时针）传输，逆时针（或顺时针）则隔离，称为各向异性。由于这种特性其被广泛应用于雷达、微波通信、无线通信以及无线局域网系统的射频前端部分，实现收发双工之用。环形器的原理是通过隔离输入和输出信号来保护源信号免受不必要的反射，传统环形器使用铁氧体材料在磁场激励下实现电磁波的各向异性偏置。由于等离子体在外加磁场下表现出很强的各向异性，因此，我们考虑使用等离子体材料代替铁氧体材料成为环行器的一部分，通过改变外磁场的方向实现环行器路径的可重构性。传统的环形器多为三端口，路径少且不可重构，灵活性较弱，为此我进行了六端口路径可重构环形器的研究设计。在实际应用中，路径可重构环形器具有节省空间，结构紧凑，集成化程度更高等优点。因此多端口路径可重构环形器设计的工?
第2章等离子体光子晶体结构及特性5第2章等离子体光子晶体结构及特性2.1光子晶体简介光子晶体是一种具有不同折射率的规则排列的材料。光子在光子晶体（PCs）中的运动类似于电子在普通晶体中的运动，这些晶体由规则的晶格阵列组成。因此，光子带隙（PBGs）类似于普通晶体中出现的电子带隙，它是电磁波在PCs中禁止传播的频率范围。当在PCs中引入晶格缺陷时，晶格缺陷将允许存在于PBGs中的具有一定谐振频率模式的电磁波工作。2.1.1光子晶体结构PCs按介质周期分布的维度可分为1D-PCs、2D-PCs和3D-PCs[24]，A、B两种不同介质薄膜在同一方向上周期分布称为1D-PCs，1D-PCs的光子禁带只能在某一方向上产生，1D-PCs的研究目前已经非常透彻了，应用如分布布拉格光栅；A、B两种不同介质在两个垂直方向上分别周期排布称为2D-PCs，常见结构分为空气中介质柱排列型和介质板中空气孔排列型，空气中介质柱排列型PCs是由两个不同介电常数的介质柱周期排列而成，而介质板中空气孔排列型PCs则是在均匀介质板中周期性排布空气孔构成，为了便于计算和制造，介质柱和空气孔的截面一般都使用正圆形，偶尔使用其他对称形状，2D-PCs可以在某一平面内的两个方向上产生PBGs，从而控制光在这两个方向的传播；A、B两种不同介质在三个方向上均周期排布称为3D-PCs，它能够在三个维度产生PBGs，但目前制备工艺还不够成熟，实用性比2D-PCs结构稍弱一些。图2.1光子晶体一维、二维、三维结构图图2.2二维光子晶体介质柱型和空气孔型
【参考文献】：
期刊论文
[1]横磁模式下二维非磁化等离子体光子晶体的线缺陷特性研究[J]. 章海锋,刘少斌,孔祥鲲. 物理学报. 2011(02)
[2]非磁化等离子体光子晶体缺陷态的研究[J]. 马力,章海锋,刘少斌. 物理学报. 2008(08)
[3]氩气放电中四边形发光斑图形成过程研究[J]. 董丽芳,范伟丽,李雪辰,高瑞玲,刘富成,李树锋,贺亚峰. 物理学报. 2006(10)
本文编号：3378419
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