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【6h】

毫米波/太赫兹功率合成实现机理与技术

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文的研究内容与章节安排

第二章 准光功率合成电路中的群体智能优化算法研究

2.1 准光功率合成电路模型及群体智能优化算法

2.2 进化算法简介

2.2.1 传统实数遗传算法

2.2.2 差分进化算法

2.3 一种改进型群体智能优化算法:实数遗传-差分进化算法

2.3.1 流程图

2.3.2 实数遗传-差分进化算法原理与应用

2.3.3 收敛特性研究

2.4 本章小结

第三章 毫米波/THz三维准光功率合成技术研究

3.1 几种三维准光功率分配/合成电路模型

3.2 三维准光模型计算方法和加速计算方法

3.2.1 惠更斯-菲涅尔原理

3.2.2 物理光学法

3.2.3 快速远场近似

3.3 单/双反射面三维准光功分电路研究

3.3.1 赋形单反射面多路功分器

3.3.2 赋形双反射面多路功分器

3.4 介质栅单反射面功率合成电路研究

3.4.1 一维二进制介质栅功率合成器

3.4.2 二维孔式介质栅功率合成器

3.4.3 赋形介质栅功率合成器

3.5 本章小结

第四章 毫米波/THz准二维准光功率合成技术研究

4.1 二维标量衍射理论

4.1.1 理论模型的提出及数学表达式

4.1.2 模型计算和全波仿真对比研究

4.2 平行板波导传播模式及损耗特性

4.3 平行板波导赋形反射面准光功分/合成电路研究

4.3.1 H面喇叭天线赋形单/双反射面准光功分器

4.3.2 缝隙波导赋形单/双反射面准光功分/合成器

4.4 基于二维标量衍射理论SIW准光功分器

4.5 平行板波导赋形双介质栅准光功分器

4.6 本章小结

第五章 毫米波/THz全金属波导功分/合成电路研究

5.1 多端口全金属波导功分/合成电路

5.1.1 改进型H面T型结4路功分器

5.1.2 改进型H面T型结及Y型结4路功分器

5.1.3 径向波导4路反相功分器

5.2 人工表面等离子体激元(SSPP)THz功分电路

5.2.1 矩形波导-SSPP过渡及SSPP传输特性

5.2.2 SSPP耦合电路及Y型结

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本论文的主要工作和创新点

6.2 后续工作展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果

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摘要

近年来,随着人们对毫米波/太赫兹(THz)技术持续不断的研究,在毫米波/太赫兹通信、雷达探测系统等领域取得了可喜的进展。然而,毫米波源太赫兹信号源的功率较低,严重制约了当前毫米波/太赫兹系统的发展。将多个毫米波/太赫兹信号进行功率合成的技术方法,是获得高功率毫米波/太赫兹源的有效途径。与传统平面型功率合成电路相比,波导功率合成电路和准光功率合成电路,在较高的频段具有低损耗、高功率、较高合成效率、高合成路数等优势,因而成为毫米波/太赫兹技术研究领域的热点之一。本文在传统的三维空间准光功率合成电路和波导功率合成电路的基础上,提出了几种新型的三维空间以及准二维空间准光功率合成电路拓扑、相关电路优化设计算法以及几种全金属波导功率合成电路,并从电路结构、理论模型、电路优化算法、电磁仿真模型以及实验验证等方面进行了深入研究。本文主要研究内容包括以下几方面: 1. 提出了一种群体智能优化算法,即RGA-DE算法,并成功运用于三维空间以及二维空间准光功率分配/合成电路的赋形优化。通过模仿生物群体进化过程构建算法,通过精英选择结合差分进化算子,保证了算法的寻优能力和收敛速度。通过对一种抽象出来的准光空间功率合成模型进行优化,详细阐述了算法的编码方式、插值平滑、变异方式、适应度函数和赋形优化结果,以及优化参数对优化结果的影响。通过对比传统实数遗传算法,充分论证了RGA-DE算法在赋形准光空间功率合成反射面的可行性和算法的优势,为毫米波/THz 三维及准二维准光功率合成电路的赋形优化设计奠定理论和技术基础。 2. 对毫米波/THz三维空间准光功率分配/合成电路进行了深入研究,提出一种结构简单的二维孔式介质栅功率合成电路以及一种高效率的赋形介质栅功率合成电路。把介质栅/介质板对喇叭天线阵列辐射的电磁波的作用简化为衍射相位元件对电磁波的相位调制作用,从而降低了赋形单反射面的难度,并获得较好的功率合成效果。对于介质栅/介质板的表面形状的设计,给出了详细的理论设计方法。同时,分别对仅有单个或两个赋形反射面的功率合成电路进行了研究,研究了各自电路结构的性能特点。 3. 提出了一种二维标量衍射理论模型,并给出了近似理论计算公式。通过建立准二维空间电磁波的传播模型,分析了一个维度均匀的电磁波传播机理,把特定三维问题简化为二维形式,大大简化了衍射场的近似计算,实现了平行板类电大尺寸腔体内电磁场传播的快速计算,为快速赋形优化平行板腔体内电磁场的分布奠定了坚实的理论基础。同时,在HFSS中构建了相应的电磁场全波仿真三维模型,通过二维标量衍射理论和全波仿真结果的对比,充分说明了其求解特定情况下平行板腔体内衍射场的准确性。 4. 在毫米波/THz 频段平行板波导腔体内实现了赋形柱面反射面的功率分配/合成,提出了两种单赋形反射面多路平行板功分器、两种双赋形反射面多路功分器。采用本文所提出的二维标量衍射理论模型,根据不同的接收阵列优化出不同的衍射场分布,实现接收面场的模式匹配,进而实现了基于喇叭天线阵列/缝隙波导接收阵列的单/双赋形反射面系列的多路平行板波导功分器,极大地改善了传统非赋形准光类功分器多端口幅度和相位不平衡性,同时该类型电路还具有频带宽、损耗低、装配测试简单等优点。另外,将二维标量衍射理论应用于介质基板和透射式准光功率合成电路,研究并提出了一种Ka波段SIW准光功分器,一种W波段平行板波导赋形双介质栅准光功分器,进一步拓展了二维标量衍射理论在功率合成技术领域的应用范围。 5. 基于对改进型H面T型结、E面Y型结的研究,提出了两种基于改进型H面T型结的4路功分器以及一种径向波导4路功分器。研究了该径向波导功分器中心元件的匹配及其功率容量的问题,分析了不同匹配电路其功率容量随频率变化的曲线。另外,基于人工表面等离子体激元(SSPP)传输结构,研究了矩形波导到SSPP的过渡结构,以及一种单排SSPP的耦合电路,研究其在THz频段传播和损耗特性。同时,采用双排封闭结构SSPP实现了类似矩形波导的H面Y型结,不仅消除了辐射损耗,还通过优化SSPP槽缝结构参数,实现了较小的金属导体损耗,进而降低了电路损耗。

著录项

  • 作者

    张樊;

  • 作者单位

    电子科技大学;

  • 授予单位 电子科技大学;
  • 学科 电磁场与微波技术
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 宋开军;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    毫米波; 太赫兹; 功率合成;

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