新型电磁带隙结构的宽带宽波束天线及其阵列研究

宽带宽波束天线在飞行器导航和卫星通信等应用中起着重要作用，而现有分析设计方法很难满足日益提高的工程要求。电磁带隙结构可以实现对空间电磁波的控制，深入研究新型电磁带隙结构的宽带宽波束天线及其阵列的电磁特性有重要理论意义和应用价值。本项目构造人工各向异性高阶交替方向隐式时域有限差分法，研究多种介质模型和非均匀网格模型的人工各向异性介质优化方法，应用于宽带宽波束微带天线和低互耦微带天线阵仿真设计；研究展宽EBG结构的带隙宽度和降低带隙中心频率的方法，协同优化设计宽带紧凑的新型电磁带隙结构；采用遗传算法优化电磁带隙结构单元形式、表面布局和安装方法，实现微带天线在低仰角方向高增益和天线阵列单元间低互耦的目标；研究有限大电磁带隙结构的边缘效应，以及电磁带隙结构与天线之间的互耦；分析新方法数值色散特性，优选时间步长，提高优化效率，最终研制出结构新颖、性能优异、加工方便、应用广阔的微带天线和天线阵。

宽带宽波束天线在飞行器导航和卫星通信等应用中起着重要作用，而现有分析设计方法很难满足日益提高的工程要求。电磁带隙结构可以实现对空间电磁波的控制，深入研究新型电磁带隙结构的宽带宽波束天线及其阵列的电磁特性有重要理论意义和应用价值。主要研究工作包括以下几方面：.1、研究高阶人工各向异性交替方向隐式时域有限差分法及其应用。推导人工各向异性高阶ADI-FDTD电场隐式迭代公式和磁场显式迭代公式，并根据数值色散关系式，研究了理论计算精度。采用遗传算法优化人工各向异性介质，并对多种介质模型和非均匀网格模型进行了探索。对多个算例进行仿真，验证了算法的计算精度。采用共形FDTD对双极化圆槽天线和阿基米德螺旋EBG结构进行仿真计算。此外，对贴片天线和螺旋天线进行矩量法仿真。.2、评估改进EBG结构禁带特性仿真测量方法.研究了不同仿真测试方法，包括色散图法、悬置微带线法、反射相位法，得到EBG结构的禁带性能。采用HFSS对矩形螺旋EBG进行了色散图仿真。对传统EBG结构进行悬置微带线仿真和测试，并对悬置微带线法的仿真精度进行了仿真研究。分别采用FDTD算法和HFSS实现反射相位法，对传统六边形EBG结构和传统四边形EBG结构进行了仿真，并与测试结果进行了比较。.3、研究展宽EBG 结构的带隙宽度和降低带隙中心频率的方法.研究了交指EBG结构和阿基米德螺旋EBG结构。通过增大交指结构的宽度和长度，及在阿基米德螺旋线的内圈加入四个过孔实现EBG结构的小型化。采用遗传算法优化电磁带隙结构单元形式、表面布局和安装方法。设计了多过孔四边形和六边形EBG结构，展宽传统EBG结构的带宽。提出了多种新颖EBG结构，加工了小型EBG宽波束天线多种样品，进行了实验验证。.4、实现EBG结构在天线/天线阵中的应用.讨论了三种EBG结构（传统蘑菇型、阿基米德螺旋型、矩形螺旋型）与两种圆极化天线（圆极化微带天线和螺旋天线）的结合安装方式进行了讨论，研究对天线性能的影响。并研究了EBG结构对平面相控阵和共形相控阵波束扫描能力的影响，对比了有/无EBG结构的情况。另外设计了印刷八木天线阵，优化EBG布局实现较好的和差方向图指标，从而达到了改善天线性能的目的。 .发表论文24篇（SCI 收录1篇，EI收录13篇），申请专利8项（授权3项）。培养博士研究生1名（已毕业），硕士研究生10名（其中5名已毕业）。