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基于时域有限差分法的脊波导损耗特性研究

作　者: 李杰
导　师: 陈小强
学　校: 兰州交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 脊波导时域有限差分法衰减特性功率容量
分类号: TN814
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

时域有限差分法自1966年K.S.Yee首次提出以来,就备受众多专家学者的青睐。时域有限差分法是以差分原理为基础的数值计算方法,它广泛应用于波导与谐振腔系统、电磁兼容、天线辐射特性、电缆传输线的干扰、电磁散射以及微光学元器件中光的传播和衍射等的研究。脊波导是矩形波导的变形,它在实际工程中有着重要的应用,由于其具有主模截止波长长、单模带宽宽等特点,使得脊波导广泛应用于各种过渡元件以及各种谐振腔等,因此对脊波导特性的研究是非常重要的。早在20世纪40年代,Cohn就对脊波导的特性进行了研究,随后脊波导受到了广泛的关注。目前对脊波导特性的研究,大多集中在传输特性以及阻抗特性上,对于其衰减特性和功率容量的研究数据较少,这在一定程度上限制了脊波导元件的分析和设计。为了解决这个问题,本文首次利用时域有限差分法对脊波导的衰减特性以及功率容量进行了研究。介绍了时域有限差分法的原理以及其在应用上的相关技术,并应用时域有限差分法对脊波导进行建模,通过在MATLAB环境下编程,计算了不同结构参数的矩形对称双脊波导、三角形对称双脊波导、梯形对称双脊波导、倒梯形对称双脊波导以及矩形单脊波导、三角形单脊波导、梯形单脊波导、倒梯形单脊波导在TE模式下的衰减特性和功率容量数据。所得部分数据与国外已有的权威文献中的数据进行了比较,数据吻合较好,从而证明了所用方法在研究上的有效性和精确性。运用时域有限差分法结合MATLAB编程计算了脊波导在不同结构参数下的衰减常数和功率容量,并给出了计算数据以及变化曲线。研究结果表明：脊波导的衰减常数不仅与频率有关还与其结构参数有一定的关系,脊波导的功率容量与其结构参数有关。当脊波导的主模截止波长增大时其衰减常数会单调递增,而功率容量会单调递减；当脊间距d/b增大时,衰减常数减小,功率容量增大。因此在制造工艺允许的情况下,可以通过增大脊间距来达到减小衰减增大功率容量的目的。通过对比数据可得到：衰减常数由大到小的顺序依次为：三角形、倒梯形、矩形和梯形脊波导；功率容量由小到大的顺序依次为：三角形、梯形、矩形和倒梯形脊波导。由此可见倒梯形脊波导虽然具有相对较大的衰减常数,但同时也具有很大的功率容量,因此可作为一种优良的微波传输线。得到的损耗特性数据,将为脊波导的广泛应用提供基础数据,而得到的相关结论,也将对脊波导器件的设计提供参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-14
  1.1 研究背景及现状  10-11
  1.2 时域有限差分法的发展与应用  11-13
  1.3 本课题研究的内容及意义  13-14
2 波导传输理论  14-26
  2.1 波导理论  14-17
    2.1.1 波导基本概念  14
    2.1.2 规则波导中的场分析  14-17
  2.2 导行电磁波的传输特性  17-22
    2.2.1 导行电磁波的分类  17
    2.2.2 传输条件与截止特性  17-18
    2.2.3 波导的传输特性参量  18-22
  2.3 矩形波导  22-26
    2.3.1 矩形波导中场的分析  22-23
    2.3.2 矩形波导中的TE_(10)模  23-26
3 时域有限差分法  26-37
  3.1 FDTD基本原理  26-31
    3.1.1 Yee氏差分算法  26-28
    3.1.2 FDTD的基本差分方程  28-31
  3.2 时域有限差分法相关技术  31-34
    3.2.1 解的稳定条件  31-32
    3.2.2 数值色散  32
    3.2.3 FDTD离散网格的确定  32-33
    3.2.4 激励源类型  33-34
  3.3 FDTD计算所需时间步的估计  34
  3.4 时域有限差分法分析  34-37
4 对称双脊波导损耗特性的研究  37-54
  4.1 理论分析与方法验证  37-38
  4.2 矩形对称双脊波导损耗特性  38-41
  4.3 三角形对称双脊波导损耗特性  41-44
  4.4 梯形对称双脊波导损耗特性  44-49
  4.5 倒梯形对称双脊波导损耗特性  49-54
5 对称单脊波导损耗特性的研究  54-72
  5.1 方法验证  54
  5.2 矩形对称单脊波导损耗特性  54-57
  5.3 三角形对称单脊波导损耗特性  57-60
  5.4 梯形对称单脊波导损耗特性  60-65
  5.5 倒梯形对称单脊波导损耗特性  65-72
结论  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-77
攻读学位期间的研究成果  77

基于时域有限差分法的脊波导损耗特性研究

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