微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究.如果孔缝填有介质,则预期对微波耦合进入腔体的物理过程有重要影响,研究了微波与带介质孔缝矩形腔体耦合的过程中影响介质孔缝耦合共振峰和共振频率点的因素,包括孔缝长度、宽度和介质相对介电常数等物理量的影响.通过大量不同孔缝尺寸的模拟研究,发现孔缝的介质对孔缝耦合共振频率有明显影响,我们对微波与带介质孔缝耦合发生共振的公式进行了拟合,最后得出了微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的共振条件.     

微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的数值模拟研究

利用时域有限差分(FDTD)方法对微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体的耦合过程进行了数值模拟研究. 如果孔缝填有介质, 则预期对微波耦合进入腔体的物理过程有重要影响, 研究了微波与带介质孔缝矩形腔体耦合的过程中影响介质孔缝耦合共振峰和共振频率点的因素, 包括孔缝长度、宽度和介质相对介电常数等物理量的影响. 通过大量不同孔缝尺寸的模拟研究, 发现孔缝的介质对孔缝耦合共振频率有明显影响, 我们对微波与带介质孔缝耦合发生共振的公式进行了拟合, 最后得出了微波脉冲与带介质孔缝矩形腔体耦合的共振条件.     

穿孔管消声器声学长度修正的理论公式

推导出穿孔管消声器声学长度修正以及共振频率的理论公式。证明了在均匀分布情况下,多小孔向膨胀腔声辐射与单个小孔向膨胀腔声辐射的声学长度修正系数是一致的。对于小孔向主管道的声辐射,根据理论公式研究了穿孔率、周向均布数以及亥姆赫兹数对声学长度修正的影响,有限元计算得出在直径比小于0.4的情况下声学长度修正系数理论公式与仿真计算结果吻合良好。并利用理论公式的性质以及仿真结果获得了实用的拟合公式,提升了穿孔管消声器在高频时共振频率的计算精度。      

微波脉冲与不同形状带矩形孔缝腔体耦合的数值模拟

 利用时域有限差分法对微波脉冲与带矩形孔缝的矩形和圆柱形腔体两种系统的线性耦合过程进行了研究。首先用数值方法分析了耦合过程中的场增强现象、脉宽展开现象和腔体调制现象,并发现了耦合过程中微波脉冲存在频谱分离现象。当微波脉冲的电场与孔缝窄边平行时,借助耦合函数对两个系统内部耦合场的分布特性进行了研究,结果表明在与孔缝窄边垂直的平面内,越靠近腔体壁,耦合场越弱。此外,两种腔体内部的耦合场在腔体截面内均呈现准周期振荡分布,矩形腔体内部耦合场振荡的幅值较均匀,而圆柱形腔体内部耦合场幅值在其截面中心附近区域最大;除了孔缝附近区域外,圆柱腔体轴线两端的耦合场远大于矩形腔体相应的耦合场。最后,研究了孔缝耦合共振频率与孔缝尺寸的关系,结果表明系统耦合共振频率不只与孔缝尺寸有关,而是由孔缝尺寸和腔体形状及其对微波脉冲的反射特性共同决定。     

矩形孔缝耦合特性实验研究

 对矩形孔缝在微波频率为2～18GHz范围内的耦合系数进行了实验研究；建立了实验方法和实验装置。实验结果表明：对于矩形孔缝，当入射电场方向垂直于孔缝长边时，在微波波长约等于2倍孔缝长度时，发生共振效应，在该频率附近一定带宽内耦合系数最大，并且在共振频率处存在着场增强效应。     

高功率楔形介质填充天线设计

 针对高功率超宽带天线应用中的绝缘性及方向性等关键问题,设计了一种基于TEM喇叭天线形式的楔形介质填充天线,并利用时域有限差分数值方法分析了这种新型介质填充天线的辐射性能。数值模拟与测试结果表明,所设计的这种楔形介质填充天线不仅可以满足高功率天线的绝缘性要求,而且在主轴方向上具有较强的辐射场。     

L波段磁绝缘线振荡器一体化辐射天线

 根据小型化的要求,提出了可以用于小型化L波段磁绝缘线振荡器的一体化辐射天线的模型,即介质+插板移相型模式变换器,该模型可以有效缩短模式变换器的物理长度,并基于该模型研究了一体化辐射天线的方向图、增益、物理长度等特性,初步优化设计了一体化辐射天线,为结构紧凑的小型化磁绝缘线振荡器的研究提供了方便。     

L波段高功率波导缝隙阵设计与数值模拟

设计了一种基于宽边纵缝驻波阵的高功率射频微波辐射系统,系统由四路矩形波导以及聚四氟乙烯天线窗组成。天线内采用真空绝缘实现天线高功率容量,天线窗真空侧采用周期刻三角槽技术抑制高功率微波介质表面击穿。在波导缝隙阵与天线窗之间设计支撑板,除支撑天线窗外还可抑制表面波电流。采用HFSS数值模拟软件对辐射系统进行了优化设计。数值模拟结果表明,设计的辐射系统在频率为1.575 GHz时,增益为22.7 dBi,天线口径效率为98.3%,反射系数为-25 dB,带宽达到5%,带宽内天线增益波动小于等于0.4 dB、天线口径效率大于等于98%、主瓣指向偏差小于等于1.2。系统功率容量达到1.92 GW。     

高功率微波缝隙耦合效应的试验研究

 利用高功率微波源对预设的11种不同尺寸的缝隙做了耦合效应试验，得到了这11种缝隙对试验波段的一般耦合特性。试验结果表明：窄缝的耦合效应有较强的极化特性；从波长与缝隙的长度相对关系对耦合效应的影响来看，波长与缝隙的长度相当时耦合效应最强；在UWB，L，S，X几个波段内，缝隙的宽度越窄，耦合效应越弱；缝隙的深度能明显影响其耦合效应，随缝深的增加，耦合效应逐渐减弱；辐射波脉宽变化对耦合效应基本没有影响。     

不同形状孔缝微波耦合的实验研究

 探讨了椭圆、圆环、方环、十字交叉形、圆形、正方形、正三角形及双矩形孔缝在2～18GHz频率范围内的耦合系数，并与矩形孔缝的耦合特性进行了比较。结果表明: 各种不同形状孔缝微波耦合的共振特性与其纵横比有关, 纵横比较大的孔缝耦合共振现象比较明显，纵横比较小的孔缝耦合特性趋于高通；各种孔缝的共振频率与孔缝长度有密切关系。     

扇形波导谐振宽边纵缝的归一化电导

扇形波导可作为高功率微波圆柱共形波导缝隙阵天线的基本单元。分析了扇形波导中主模场分量,根据实际情况对主模场进行了合理近似。采用互易定理推导由波导主模横向场分量和缝隙场分量表示的波导场分量的前向或后向散射系数。根据波导传输线理论,将波导宽边纵缝等效为并联导纳,再根据波导边界条件得到扇形波导宽边谐振纵缝的归一化电导与波导散射系数之间的关系式。根据缝隙天线与振子天线的互补关系得到扇形波导谐振缝隙的辐射阻抗,结合波导功率平衡关系得到由波导横向场散射系数表示的缝隙辐射功率表达式,得到归一化电导的与谐振宽边纵缝的偏移位置、缝隙宽度、波导波长以及扇形波导尺寸参数之间的解析表达式。给出了算例,在波导中间区域,通过商用软件计算得到的电导与理论公式结果基本吻合。     

高功率微波行波阵列纵向宽角扫描特性

利用机械调节波导宽边尺寸可变化波导波长,从而实现变频波束扫描相同的效果,针对窄边辐射波导行波阵的波束扫描特性进行了分析,以实现宽角波束扫描为目标,着重分析了不同辐射缝隙间距下变化宽边所能得到的最大波束扫描范围。设计了通过变化宽边尺寸实现宽角扫描的X波段窄边辐射波导缝隙阵,设计波束扫描范围指向波导馈入端,避开阵列法向辐射(此方向辐射效率较低),实现了29°的连续波束扫描范围,在波束扫描范畴内增益下降小于3 dB,辐射效率大于62%;设计缝隙宽度3 mm, 波导长度约1 m(缝隙数40),单根波导缝隙天线可实现高功率微波功率容量70 MW。     

Investigation of a slot nanoantenna in optical frequency range

Following the analogy of radio frequency slot antenna and its complementary dipole, we propose the implementation of a slot nanoantenna (SNA) in the optical frequency range. Using finite-difference time-domain (FDTD) method, we investigate the electromagnetic (EM) properties of a SNA formed in a thin gold film and compare the results with the properties of a gold dipole nanoantenna (DNA) of the same dimension as the slot. It is found that the response of the SNA is very similar to the DNA, like their counterparts in the radio frequency (RF) range. The SNA can enhance the near field intensity of incident field which strongly depends on its feedgap dimension. The resonance of the SNA is influenced by its slot length; for the increasing slot length, resonant frequency decreases whereas the sharpness of resonance increases. Besides, the resonance of the SNA is found sensitive to the thickness of metal film, when the latter is smaller than the skin depth. The effect of polarization of incident field on the EM response of the SNA was examined; the field enhancement is optimum when polarization is parallel to the feedgap. Finally, we calculate the radiation patterns of the DNA and SNA and compare them with those of the RF dipole antenna. The radiation pattern of the SNA is found to be independent of its slot length when excited at resonant frequency. To the best of our knowledge, this is the first study on a slot antenna in the optical frequency.     

共振增强的量子效应初步研究

 利用量子效应原理分析了波包在势阱中的传输,通过分类讨论得出了出现共振透射现象的条件。将其与已有高功率微波孔缝耦合的数值模拟和实验结果相比较发现：其共振条件和使用数值模拟和实验得到的共振条件基本一致,即垂直入射电场分量的缝（或边）为入射半波长的整数倍时会出现共振增强现象。不仅验证了已有的高功率微波孔缝耦合数值模拟和实验结果,而且有助于解释一些复杂电子系统高功率微波效应实验中出现的强耦合现象。     

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为优化表面波放电的狭缝天线阵设计,给表面波放电装置的设计提供理论依据,对狭缝天线布局进行了理论和仿真计算分析。结果表明,宽缝辐射的电磁场比纵缝强,同相激励天线辐射的电磁场比异相激励强,更容易击穿空气产生等离子体。基于磁场强度同相分布规律对已经采用的纵缝天线阵进行改进,纵缝按照两侧交互并间隔半个波导波长布置,各个纵缝均为同相,产生等离子体效果更好。     

Vertical coupling characteristics between hybrid plasmonic slot waveguide and Si waveguide

For development of complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)-compatible integrated optical circuits, vertical directional coupling between a hybrid plasmonic slot waveguide and a Si waveguide is theoretically investigated in detail. To determine the vertical separation gap and efficient coupling length, we investigate the characteristics of the even and odd supermodes at a wavelength of 1.55 μm. The vertical coupler transfers 90% of the power carried by the Si waveguide to the hybrid plasmonic slot waveguide after normalizing to reference waveguides when the gap is 60 nm and the coupling length is 2.6 μm. Because of the lossy hybrid guided mode in the plasmonic waveguide, the transmitted power exhibits damped sinusoidal behavior depending on the overlapping length. The proposed vertical coupler shows more efficient light coupling between a dielectric and plasmonic waveguide in comparison to the other types of hybrid coupler, and can be exploited further for on-chip integrated opto-electronic circuits.     

碳纳米管光学天线的有效波长和谐振特性

将经典金属自由电子气模型应用于金属型碳纳米管, 基于光学天线有效波长理论, 得出了金属型碳纳米管光学天线响应的有效波长与碳纳米管介电特性之间的普适关系. 在对碳纳米管介电特性进行第一性原理计算的基础上, 以金属型4 Å碳纳米管为例, 进一步研究了金属型碳纳米管光学天线响应的有效波长与入射波长之间的关系, 以及金属型碳纳米管光学偶极子天线的谐振特性. 通过将已有传统金属光学天线和碳纳米管天线有效波长的研究结果进行对比, 验证了本文理论的正确性. 结果表明, 碳纳米管光学天线响应的有效波长与入射波长呈近似线性关系, 与传统金属材料构成的同直径光学天线相比, 碳纳米管天线显示出了更强的波长压缩能力, 并且在可见光到红外波段内易于发生谐振. 该研究方法可为碳纳米管光学天线研究提供新的思路.     

一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线

提出了一种辐射零点可控的紧凑型滤波贴片天线。该滤波天线以基本的微带贴片天线为原型,主要由一个简单的金属辐射贴片和两个对称的分割形槽组成。两个分割形槽蚀刻在金属贴片上,使得高/低频段分别产生两个宽边辐射零点,从而引入滤波选频功能。该结构未引入额外滤波电路和其他寄生单元,节省了空间尺寸,结构更加紧凑;两个辐射零点独立可控,提高了设计的灵活度。且在实现滤波选频功能的同时,对天线增益的影响很小。利用HFSS仿真软件优化滤波天线结构,制作了一个实物模型并进行了测试。测试结果与仿真结果基本一致。测试结果表明,提出的滤波天线工作在2.40 GHz,两个独立可控的辐射零点分别位于1.96 GHz和2.66 GHz,平均实际增益约为7.0 dBi,带外抑制水平超过39 dB。     

一种兼有高增益和宽带低散射特征的波导缝隙天线设计

设计了一种同时具备高增益和宽带低散射特征的波导缝隙天线.将蚀刻有互补开口谐振环的方形贴片人工磁导体正交布阵得到宽带低雷达截面积(RCS)反射屏并以之代替原天线的全金属反射板,通过优化反射屏的加载方式,在展宽天线工作频带、提高天线增益的同时,实现了宽频域范围内天线鼻锥方向RCS减缩.实测结果表明:加载低RCS反射屏的缝隙天线工作带宽增加了100 MHz,前向增益提高了3.2 dB,在5.52—6.63GHz范围内RCS减缩量达10 dB以上,减缩带宽达到20%.