辛體系下電磁波導(dǎo)的分析與濾波器優(yōu)化.pdf

1、人們對(duì)能量、信息傳輸?shù)男枨?使波導(dǎo)在微波領(lǐng)域、光波領(lǐng)域一直不斷地為人們所研究。隨著今天信息化社會(huì)的飛速發(fā)展,對(duì)各類(lèi)波導(dǎo)的研究不僅具有重要的理論意義,而且具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文在辛體系下對(duì)電磁波導(dǎo)課題進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上對(duì)波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要貢獻(xiàn)有： (1)基于節(jié)點(diǎn)單元和對(duì)偶棱邊元分別對(duì)電磁波導(dǎo)進(jìn)行了半解析辛分析在電磁波導(dǎo)的Hamilton體系,即辛幾何的形式下,利用節(jié)點(diǎn)基單元給出了關(guān)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)

2、兩類(lèi)變量同時(shí)離散的有限元方法。在飛箭有限元應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),計(jì)算了多種波導(dǎo),給出了本征值和模態(tài),其數(shù)值結(jié)果表明這一方法對(duì)電磁波導(dǎo)的分析是有效的,而且比一類(lèi)變量下電磁波導(dǎo)的求解具有一定的優(yōu)勢(shì)。 構(gòu)造了二維三角形對(duì)偶棱邊元,利用對(duì)偶棱邊元對(duì)多種波導(dǎo)進(jìn)行了半解析辛分析；利用對(duì)偶棱單元對(duì)諧振腔也進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明基于棱邊元的電磁波導(dǎo)的辛方法不僅對(duì)電磁波導(dǎo)的分析是有效的,而且克服了偽解、邊界條件的處理以及場(chǎng)的奇異性等節(jié)

3、點(diǎn)基有限元方法存在的困難。 (2)辛體系下利用精細(xì)積分對(duì)電磁波導(dǎo)的不連續(xù)性問(wèn)題、波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器以及由三種介質(zhì)組成的波導(dǎo)介質(zhì)層窄帶濾波器進(jìn)行了分析求解將波導(dǎo)沿縱向均勻的區(qū)段視為子結(jié)構(gòu),利用辛體系下基于Riccati方程的精細(xì)積分算法求解了波導(dǎo)的不連續(xù)性問(wèn)題。編制了程序,算例表明這種方法較采用三維常規(guī)有限元離散的方法具有精確、高效的優(yōu)點(diǎn)。用這種方法對(duì)波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器的阻帶特性進(jìn)行了分析與計(jì)算,討論了周期長(zhǎng)度、周

4、期個(gè)數(shù)等對(duì)濾波器阻帶特性的影響；還分析計(jì)算了由三種介質(zhì)組成的波導(dǎo)介質(zhì)層窄帶濾波器的濾波特性。 (3)對(duì)波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器提出了以阻帶內(nèi)的透過(guò)率最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型,并用序列線性規(guī)劃法和序列二次規(guī)劃法對(duì)濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器提出了以阻帶內(nèi)的透過(guò)率最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型。通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的處理,用序列線性規(guī)劃法對(duì)濾波器進(jìn)行了優(yōu)化求解。對(duì)于無(wú)可行解情形,采用增加松弛變量的方法提出了改進(jìn)優(yōu)化模型,

5、進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn),算例表明該方法能有效實(shí)現(xiàn)濾波器的優(yōu)化。 進(jìn)一步采用響應(yīng)面法對(duì)模型進(jìn)行處理,用序列二次規(guī)劃法對(duì)波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,算例表明該方法能更有效實(shí)現(xiàn)濾波器的優(yōu)化。 (4)同時(shí)考慮濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸及阻帶內(nèi)透過(guò)率,實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)將波導(dǎo)介質(zhì)層PBG結(jié)構(gòu)濾波器周期長(zhǎng)度及阻帶內(nèi)透過(guò)率同時(shí)考慮,建立了以阻帶內(nèi)透過(guò)率最小、同時(shí)周期長(zhǎng)度最小為目標(biāo)的多目標(biāo)最