表面等离子体波导及流星余迹通信天线研究

发布时间：2017-12-02 09:31

  本文关键词：表面等离子体波导及流星余迹通信天线研究

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【摘要】：受到衍射极限的约束,传统介质导波器件无法继续满足高密度和微小型化的不断需求。基于表面等离子体激元的表面等离子体波导(SPW)在亚波长范围内对光具备独特的操控机制,能够突破衍射极限,在未来高密度、高速率和小型化集成光电路等应用方面有着极大的潜力。另外,流星余迹通信(MBC)因其自身优势而被广泛的应用到军用、民用领域,被公认为是一种最终通信保障手段。天线作为MBC的关键组成部分,对其进行更高性能的研制以满足日趋苛刻的电气指标要求成为了一项艰巨任务。与此同时,运用计算电磁学的数值方法、优化算法等手段快速准确地分析、设计功能器件对于电磁波传播技术的发展起到决定性的作用,因此对于它们的研究也是非常有意义的。本文紧密结合课题需要,对并行时域有限差分算法、表面等离子体波导以及流星余迹通信天线进行了深入研究,作者的主要工作总结为以下方面：1.对色散介质的三维时域有限差分算法(FDTD)进行了研究。根据表面等离子体波导的金属损耗特性,采用单轴各向异性介质理想匹配层作为吸收边界条件,对基于Drude模型的色散介质所对应的三维FDTD算法进行了推导,建立其时域递推公式,并与基本FDTD算法进行了比较,确定了开展并行计算的必要性。2.对基于OpenMP的并行FDTD算法进行了研究。将色散FDTD方法与OpenMP多线程技术相结合,在多核单处理机上实现并行FDTD算法。然后运用该算法分别模拟非色散和色散结构,以测试其并行计算性能。结果显示串、并行FDTD的结果相互吻合,并行算法能够有效地减少计算时间,其并行加速比可以达到9.54。但是该方法受单个计算机物理性能的限制,不能满足较大计算量和内存需要。3.对基于MPI的并行FDTD算法进行了研究。运用MPI技术在高性能计算集群系统上实现相应的色散FDTD并行算法。然后将该算法用于模拟表面等离子体波导结构,并在不同集群平台上对该程序的并行性能进行了测试。结果表明该方法性能稳定,具有可移植性,并且可以有效地解决计算机资源耗用过大的问题,大幅度的减少计算时间。以16核的计算时间为基准,当运用1024个核时,其并行加速比可以达到37.76。4.对表面等离子体波导微环谐振器进行了研究。运用基于MPI的二维并行FDTD算法对一种双L形SPW矩形环谐振器进行了设计,分析这种波导的传输特性随其几何结构参数的依赖关系。计算结果表明通过改变输入／输出光波导的结构参数,可以调节该波导的消光比和频率选择特性。该波导结构能够有效地抑制后向辐射干扰并且大幅度提高其传输效率,这使得此类谐振器结构更具有功能性。最后,将双L形输入/输出波导结构运用到双耦合矩形环谐振器和T型分束器中,可以得到很好的性能。5.对带隙表面等离子体波导滤波器进行了研究。采用传输线理论对基于金属-电介质-金属波导的单、双枝节结构的传输特性进行了分析,将其与并行FDTD方法的计算结果进行比较,结果显示二者相互吻合,并且当改变枝节结构的几何和材料参数时,可以对特定频率的光波起到不同的滤波作用。在此基础上,提出了一种周期性双枝节带隙SPW滤波器,并对其带隙特性随电介质折射率大小和周期数目的变化情况进行了研究。这种滤波器具有类似于布拉格反射器的禁带特性,而且其反射特性更为明显,体积更小,制作简单,更容易实现大规模集成。6.对流星余迹通信八木天线的性能改进方法进行了研究。针对八木天线难以理论分析和实际调试的特点,给出其多目标优化过程。采用X形结构作为基本有源振子实现了一种宽带八木天线,并进行了加工实测。然后,为满足MBC的宽带高增益要求,对天线的反射单元进行了改进,并证实了运用垂直面排阵的方式也可以提高增益。最后,在保证天线的增益指标要求的情况下,采用后向V形振子结构和垂直面排阵的方法,实现了一种宽带宽波束八木天线。这些改进方法使得八木天线非常适用于MBC系统。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN828

【参考文献】

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1 莫锦军,刘少斌,袁乃昌;非均匀等离子体覆盖目标隐身研究[J];电波科学学报;2002年01期

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本文编号：1244459