人工磁導(dǎo)體的分析、建模及設(shè)計(jì).pdf

1、自1999年以來，人工磁導(dǎo)體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）在科學(xué)研究領(lǐng)域受到了極大關(guān)注。AMC是一種周期性結(jié)構(gòu)，由鋪于帶地介質(zhì)板上的頻率選擇表面（Frequency Selective Surface,FSS）構(gòu)成，其中FSS結(jié)構(gòu)可以通過過孔選擇接地與否。在特定的頻率范圍內(nèi)，AMC結(jié)構(gòu)能夠非反相反射電磁波，抑制表面波傳輸?shù)奶匦浴＿^孔的引入使AMC結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為高阻抗表面（Hign-Impedance

2、Surface，HIS）特性。AMC結(jié)構(gòu)在表面提供了一種高阻抗的邊界條件，使得它能夠形成電磁表面波的電磁傳播帶隙。因此，帶有接地結(jié)構(gòu)的AMC通常被認(rèn)為是一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)（ Electromagnetic Band-Gap，EBG），這種結(jié)構(gòu)能夠抑制TE和TM極化的表面波。AMC結(jié)構(gòu)的同相反射特性非常適合于低剖面天線的設(shè)計(jì)。HIS相關(guān)的研究改進(jìn)了相關(guān)微波器件和天線的性能。在本篇博士論文研究了AMC的相關(guān)問題，并且提出了新的解決方法。

3、>　　由于AMC的優(yōu)點(diǎn)，在MC結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中用到了FSS單元。FSS結(jié)構(gòu)對(duì)AMC單元的諧振頻率，反射特性以及表面波阻抗都有決定性的影響。本篇博士論文介紹了FSS的基本概念，同時(shí)給出了一種加載型耶路撒冷十字槽FSS（Loaded Jerusalem Cross-Slot FSS，LJCS-FSS）的優(yōu)化分析方法。這種方法能夠給出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)FSS特性的影響。同時(shí)，本文利用這種方法設(shè)計(jì)了具有所需特性的新型FSS結(jié)構(gòu)。在AMC發(fā)明以前，F(xiàn)SS

4、通常被用來設(shè)計(jì)空間濾波器。本文設(shè)計(jì)了兩種FSS結(jié)構(gòu)用于屏蔽S波段和C波段的電磁波輻射。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠屏蔽0～75度入射的電磁波能量。
　　通常，AMC的建模以解析分析和數(shù)值仿真為主。其中，數(shù)值方法不受結(jié)構(gòu)形狀的限制，而且，數(shù)值方法可以得到非常精確的結(jié)果。但是另一方面，解析方法已經(jīng)相對(duì)成熟，計(jì)算速度快于數(shù)值方法，并且能夠深刻揭示結(jié)構(gòu)中的物理現(xiàn)象。本文提出了一種基于耦合微帶傳輸線理論的方法的精確解析模型來評(píng)價(jià)耶路撒冷十字形

5、AMC結(jié)構(gòu)反射相位，諧振頻率以及表面波阻抗特性。這種模型主要由集總的電容元件和電感元件組成。同時(shí)，同時(shí)參數(shù)掃苗方法研究了不同的形狀尺寸對(duì)相位反射特性的影響。這種模型在一定程度上優(yōu)化了復(fù)雜形狀的AMC結(jié)構(gòu)。這種理論模型主要基于耦合微帶傳輸線理論。為了說明這種方法能夠設(shè)計(jì)分析復(fù)雜形狀 AMC結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了幾種AMC模型并通過數(shù)值方法進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，通過對(duì)比已經(jīng)發(fā)表文獻(xiàn)中的不同形狀模型及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此模型的仿真結(jié)果與其非常吻合。
　　

6、在無線通信系統(tǒng)中使用緊湊結(jié)構(gòu)低剖面天線的需求越來越多。而在天線系統(tǒng)中使用AMC結(jié)構(gòu)的接地板可以使天線緊貼接地板同時(shí)保證足夠的輻射效率。同時(shí)，有限大高阻抗AMC表面能夠抑制表面波和表面寄生電流來優(yōu)化天線的輻射方向性圖。由于AMC為周期性結(jié)構(gòu)，它們的特性必須在考慮為無限單元數(shù)或者單元數(shù)足夠多的時(shí)候才能表現(xiàn)出來?；谶@樣的考慮，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)足夠小的單元結(jié)構(gòu)，這樣才能有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠多的單元。為實(shí)現(xiàn)小型化 AMC結(jié)構(gòu)，本文使用了兩種方法。第一種

7、為分別在介質(zhì)板頂層和中間放置 FSS結(jié)構(gòu)。第二種方法是通過優(yōu)化 FSS結(jié)構(gòu)來降低其諧振頻率。本文設(shè)計(jì)了幾種不同形狀尺寸的小型化AMC結(jié)構(gòu)，通過與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)更加小型化。
　　在利用AMC接地板來進(jìn)行小型化低剖面天線的設(shè)計(jì)中，有時(shí)輻射效率相對(duì)于具有傳統(tǒng)接地板的天線有所降低。這主要因?yàn)镠IS結(jié)構(gòu)的表面波阻抗在不同的天線輻射空間諧波下表現(xiàn)為非均勻性。在諧振頻率下，HIS表現(xiàn)為磁壁，而諧振頻率通過表面波阻抗計(jì)算出來，所

8、以諧振頻率會(huì)隨著入射波角度的改變而改變。本文設(shè)計(jì)了幾種HIS結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同的極化波，都具有很好的角度穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果優(yōu)于已發(fā)表文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)。
　　傳統(tǒng)AMC結(jié)構(gòu)由放置于帶地介質(zhì)板上的FSS陣列組成。當(dāng)電磁波垂直入射陣列表面時(shí)，X和Y極化波的反射相位差是相同的。兩種不同極化波的反射相位差決定了反射波的極化形式。右旋圓極化波垂直入射到傳統(tǒng)AMC或 PEC表面會(huì)產(chǎn)生左旋圓極化波。AMC結(jié)構(gòu)采用非對(duì)稱 FSS單元能夠?qū)τ诓煌臉O化產(chǎn)生不同