本文關(guān)鍵詞：表面等離子體波導(dǎo)及流星余跡通信天線研究

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【摘要】：受到衍射極限的約束,傳統(tǒng)介質(zhì)導(dǎo)波器件無法繼續(xù)滿足高密度和微小型化的不斷需求�；诒砻娴入x子體激元的表面等離子體波導(dǎo)(SPW)在亞波長范圍內(nèi)對光具備獨特的操控機制,能夠突破衍射極限,在未來高密度、高速率和小型化集成光電路等應(yīng)用方面有著極大的潛力。另外,流星余跡通信(MBC)因其自身優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng)用到軍用、民用領(lǐng)域,被公認為是一種最終通信保障手段。天線作為MBC的關(guān)鍵組成部分,對其進行更高性能的研制以滿足日趨苛刻的電氣指標要求成為了一項艱巨任務(wù)。與此同時,運用計算電磁學(xué)的數(shù)值方法、優(yōu)化算法等手段快速準確地分析、設(shè)計功能器件對于電磁波傳播技術(shù)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用,因此對于它們的研究也是非常有意義的。本文緊密結(jié)合課題需要,對并行時域有限差分算法、表面等離子體波導(dǎo)以及流星余跡通信天線進行了深入研究,作者的主要工作總結(jié)為以下方面：1.對色散介質(zhì)的三維時域有限差分算法(FDTD)進行了研究。根據(jù)表面等離子體波導(dǎo)的金屬損耗特性,采用單軸各向異性介質(zhì)理想匹配層作為吸收邊界條件,對基于Drude模型的色散介質(zhì)所對應(yīng)的三維FDTD算法進行了推導(dǎo),建立其時域遞推公式,并與基本FDTD算法進行了比較,確定了開展并行計算的必要性。2.對基于OpenMP的并行FDTD算法進行了研究。將色散FDTD方法與OpenMP多線程技術(shù)相結(jié)合,在多核單處理機上實現(xiàn)并行FDTD算法。然后運用該算法分別模擬非色散和色散結(jié)構(gòu),以測試其并行計算性能。結(jié)果顯示串、并行FDTD的結(jié)果相互吻合,并行算法能夠有效地減少計算時間,其并行加速比可以達到9.54。但是該方法受單個計算機物理性能的限制,不能滿足較大計算量和內(nèi)存需要。3.對基于MPI的并行FDTD算法進行了研究。運用MPI技術(shù)在高性能計算集群系統(tǒng)上實現(xiàn)相應(yīng)的色散FDTD并行算法。然后將該算法用于模擬表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并在不同集群平臺上對該程序的并行性能進行了測試。結(jié)果表明該方法性能穩(wěn)定,具有可移植性,并且可以有效地解決計算機資源耗用過大的問題,大幅度的減少計算時間。以16核的計算時間為基準,當(dāng)運用1024個核時,其并行加速比可以達到37.76。4.對表面等離子體波導(dǎo)微環(huán)諧振器進行了研究。運用基于MPI的二維并行FDTD算法對一種雙L形SPW矩形環(huán)諧振器進行了設(shè)計,分析這種波導(dǎo)的傳輸特性隨其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴關(guān)系。計算結(jié)果表明通過改變輸入／輸出光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以調(diào)節(jié)該波導(dǎo)的消光比和頻率選擇特性。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制后向輻射干擾并且大幅度提高其傳輸效率,這使得此類諧振器結(jié)構(gòu)更具有功能性。最后,將雙L形輸入/輸出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)運用到雙耦合矩形環(huán)諧振器和T型分束器中,可以得到很好的性能。5.對帶隙表面等離子體波導(dǎo)濾波器進行了研究。采用傳輸線理論對基于金屬-電介質(zhì)-金屬波導(dǎo)的單、雙枝節(jié)結(jié)構(gòu)的傳輸特性進行了分析,將其與并行FDTD方法的計算結(jié)果進行比較,結(jié)果顯示二者相互吻合,并且當(dāng)改變枝節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何和材料參數(shù)時,可以對特定頻率的光波起到不同的濾波作用。在此基礎(chǔ)上,提出了一種周期性雙枝節(jié)帶隙SPW濾波器,并對其帶隙特性隨電介質(zhì)折射率大小和周期數(shù)目的變化情況進行了研究。這種濾波器具有類似于布拉格反射器的禁帶特性,而且其反射特性更為明顯,體積更小,制作簡單,更容易實現(xiàn)大規(guī)模集成。6.對流星余跡通信八木天線的性能改進方法進行了研究。針對八木天線難以理論分析和實際調(diào)試的特點,給出其多目標優(yōu)化過程。采用X形結(jié)構(gòu)作為基本有源振子實現(xiàn)了一種寬帶八木天線,并進行了加工實測。然后,為滿足MBC的寬帶高增益要求,對天線的反射單元進行了改進,并證實了運用垂直面排陣的方式也可以提高增益。最后,在保證天線的增益指標要求的情況下,采用后向V形振子結(jié)構(gòu)和垂直面排陣的方法,實現(xiàn)了一種寬帶寬波束八木天線。這些改進方法使得八木天線非常適用于MBC系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN828

【參考文獻】

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1 莫錦軍,劉少斌,袁乃昌;非均勻等離子體覆蓋目標隱身研究[J];電波科學(xué)學(xué)報;2002年01期

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本文編號：1244459