不均勻介質(zhì)中的電磁波傳播理論分析在無(wú)線通信、微帶電路等諸多領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。近幾十年,國(guó)內(nèi)外對(duì)高頻電路中天線、電磁波傳播分析的研究較多,而對(duì)于低頻電磁波傳播分析的理論研究相對(duì)較少,有必要對(duì)其深入研究下去;另一方面,隨著新材料的發(fā)現(xiàn),表面波在多層電路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用引起了越來(lái)越多的關(guān)注。本文圍繞著不均勻介質(zhì)中電磁波理論的傳播問(wèn)題,主要對(duì)甚低頻電磁波在突變等效電離層高度下的地-電離層波導(dǎo)中的傳播特性,以及吸附表面波在平面多層結(jié)構(gòu)中的求解方法進(jìn)行了研究�，F(xiàn)將主要工作總結(jié)如下:1、研究了甚低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的傳播特性。由于電離層在地磁場(chǎng)影響下呈各向異性特性,TM波與TE波發(fā)生耦合,論文研究了地磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)甚低頻電磁波的衰減率、相速度等特性的影響,并研究了電磁波在空間傳播形成場(chǎng)強(qiáng)干涉的分布情況。2、推導(dǎo)了晝夜不均勻波導(dǎo)端口連接處模轉(zhuǎn)換系數(shù)的表達(dá)式�；趷劾锖瘮�(shù)描述下甚低頻電磁波場(chǎng)表達(dá)式,利用邊界條件,對(duì)端口進(jìn)行分析,推導(dǎo)出“突變”波導(dǎo)模轉(zhuǎn)換系數(shù)的表達(dá)式;進(jìn)而,利用積分變換,將“突變”波導(dǎo)情況的模轉(zhuǎn)換系數(shù)推廣至“緩變”波導(dǎo)的情況,最后,通過(guò)數(shù)值計(jì)算討論了各階模轉(zhuǎn)換影響的大小。3、進(jìn)一步,基于模轉(zhuǎn)換系數(shù),求解了跨越晝夜過(guò)渡區(qū)甚低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的反射總場(chǎng)及散射總場(chǎng)。研究了甚低頻電磁波在傳播路徑上的模轉(zhuǎn)換干涉現(xiàn)象,計(jì)算了模轉(zhuǎn)換干涉后甚低頻電磁波的幅度和相位,通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了方法的可行性。4、研究了垂直電偶極子在平面分層介質(zhì)中激勵(lì)電磁波的解析求解方法。對(duì)平面三層介質(zhì)模型中極點(diǎn)隨中間介質(zhì)層厚度變化規(guī)律進(jìn)行了研究,利用網(wǎng)格剖分,改進(jìn)了傳統(tǒng)算法對(duì)極點(diǎn)與涂敷介質(zhì)層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系;分析了垂直電偶極子激勵(lì)下平面N層介質(zhì)中電磁場(chǎng)的Sommerfeld積分,于空氣與介質(zhì)分界面上分別討論了直達(dá)波、理想反射波、側(cè)面波和吸附表面波分量的求解方法,通過(guò)算例,說(shuō)明電磁波各分量的傳播特性及其對(duì)總場(chǎng)的影響貢獻(xiàn)的大小。5、研究了平面N層介質(zhì)中極點(diǎn)的解析求解方法。利用數(shù)學(xué)推導(dǎo),建立了基于廣義系數(shù)的改進(jìn)極點(diǎn)方程,從而,將原本多次嵌套的方程求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的函數(shù)迭代關(guān)系。通過(guò)對(duì)極點(diǎn)表達(dá)式的化簡(jiǎn)過(guò)程,大大簡(jiǎn)化了數(shù)值和解析方法對(duì)極點(diǎn)求解的難度,為平面多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一定的理論參考和幫助。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN011
【部分圖文】：

隨著新材料的發(fā)現(xiàn)，以及高頻電路中多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用，電磁波傳播理論在平面多層結(jié)構(gòu)??中的應(yīng)用也逐漸成為研究熱點(diǎn)。例如，多層電路結(jié)構(gòu)中常見的低溫共燒陶瓷（Ｌｏｗ?Ｔｅｍ？??ｐｅｒａｔｕｒｅ?Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ?Ｃｅｒａｍｉｃ，?ＬＴＣＣ）?的簡(jiǎn)化模型，?二極管芯片電路結(jié)構(gòu)?（如圖１－２）?等都可與電－??磁波在平面多層結(jié)構(gòu)中傳播分析相聯(lián)系。尤其是近來(lái)中國(guó)科學(xué)院黃維院士等人基于對(duì)發(fā)光??二極管（Ｌｉｇｈｔ?Ｅｍｉｔｔｉｎｇ?Ｄｉｏｄｅ，?ＬＫ））的理論分析，成功引進(jìn)新材料鈣鈥礦用于發(fā)光二極管電??路設(shè)計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波分量抑制的同時(shí)，將外量子效率提高到２０．７％，較國(guó)際同行提升近??一半，成果近日在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物《自然〉〉正刊發(fā)表［３］。如圖１－２所示，即為二極管剖面圖，??２??

?（ｂ）?（ｃ）??圖１－１甚低頻電磁波在自由空間中傳播的應(yīng)用。（ａ）?“地－電離層波導(dǎo)”傳??播模型；（ｂ）甚低頻導(dǎo)航系統(tǒng)；（ｃ）甚低頻導(dǎo)航臺(tái)１２１。??《簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊》２０１８年６月１４日?qǐng)?bào)道１２１，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)技術(shù)局（ＤＡＲＰＡ）宣布將成立新??研究機(jī)構(gòu)，開始研制在ＧＰＳ?（Ｇｌｏｂａｌ?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ，?ＧＰＳ）無(wú)法使用或嚴(yán)重干擾條件下，使??用甚低頻電磁波實(shí)現(xiàn)精確定位、導(dǎo)航和授時(shí)（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?ａｎｄ?Ｔｉｍｉｎｇ，?ＰＮＴ）的技??術(shù)（如圖ｌ－ｌ（ｂ）、圖ｌ－ｌ（ｃ））�？梢�，甚低頻電磁波在無(wú)線通信中發(fā)揮著日益重要的作用。而??研究遠(yuǎn)距離傳播路徑中“地－電離層波導(dǎo)”的不均勻性對(duì)研究甚低頻電磁波的傳播特性具??有重要意義，并可以進(jìn)一步改善和提高甚低頻電磁波在實(shí)現(xiàn)上述定位、導(dǎo)航等技術(shù)中理論??計(jì)算的精確性。??此外，在實(shí)際計(jì)算中，我們還常常遇到電磁波在平面分層介質(zhì)中傳播的問(wèn)題，這種模??型的建立是對(duì)實(shí)際應(yīng)用的抽象得出。例如：在覆蓋冰層的海面上進(jìn)行長(zhǎng)波傳播的研究；在??覆蓋瀝青的馬路上或者有一層泥沙的地面上進(jìn)行的超短波的傳播的研究；在覆蓋了凍土層??的沼澤地上的電磁波傳播的研究；在覆蓋了落葉層的森林環(huán)境中進(jìn)行的電磁波的傳播，以??及在應(yīng)用非常廣泛的微帶電路中的場(chǎng)分析等等。這類問(wèn)題均可看作是電磁波在三層介質(zhì)中??傳播的問(wèn)題

圖１－３表面波傳播的應(yīng)用。??早在１９０７年，Ｚｅｍｉｅｃｋ便定義了沿兩層不同的介質(zhì)分界面有可能存在一種表面波［１１６］。??例如微波沿介質(zhì)波導(dǎo)傳播，或沿光纖的傳播等等，如圖１－３所示，這些都是典型的表面波。??而作為三層介質(zhì)中的表面波則是由極點(diǎn)的留數(shù)所決定，有些學(xué)者稱之為吸附表面波，也有??些學(xué)者稱之為表面波［１１６１２１］。近年來(lái)，對(duì)兩層Ｚｅｉｍｅｃｋ表面波傳播的研究相對(duì)較少［１２１］。本文??中主要討論對(duì)三層及多層介質(zhì)中的表面波的估值，僅對(duì)吸附表面波進(jìn)行了研究，故沿用??Ｋｉｎｇ，?Ｗａｉｔ，?Ｃｏｌｌｉｎ等人的說(shuō)法，稱之為吸附表面波。本文基于上述研究基礎(chǔ)，將重點(diǎn)對(duì)吸??附表面波進(jìn)行理論研究，根據(jù)Ｗａｉｔ在文獻(xiàn)［７９］中給出的空氣與介質(zhì)分界面表面阻抗的表達(dá)??式，在定義極點(diǎn)方程時(shí)以嵌套的形式出現(xiàn)，這對(duì)于求解多層介質(zhì)中的極點(diǎn)帶來(lái)困難，因此，??解析求解方法對(duì)于多層介質(zhì)而言存在局限性。目前，國(guó)內(nèi)外研究多層介質(zhì)中電磁波傳播問(wèn)??題還是以數(shù)值方法居多［１２２?１３８］。其中
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