發(fā)布時(shí)間：2017-12-02 09:31

  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(wú)法繼續(xù)滿(mǎn)足高密度和微小型化的不斷需求。基于表面等離子體激元的表面等離子體波導(dǎo)(SPW)在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光具備獨(dú)特的操控機(jī)制,能夠突破衍射極限,在未來(lái)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(shì)而被廣泛的應(yīng)用到軍用、民用領(lǐng)域,被公認(rèn)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(duì)其進(jìn)行更高性能的研制以滿(mǎn)足日趨苛刻的電氣指標(biāo)要求成為了一項(xiàng)艱巨任務(wù)。與此同時(shí),運(yùn)用計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值方法、優(yōu)化算法等手段快速準(zhǔn)確地分析、設(shè)計(jì)功能器件對(duì)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(duì)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(duì)并行時(shí)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(jìn)行了深入研究,作者的主要工作總結(jié)為以下方面：1.對(duì)色散介質(zhì)的三維時(shí)域有限差分算法(FDTD)進(jìn)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(duì)基于Drude模型的色散介質(zhì)所對(duì)應(yīng)的三維FDTD算法進(jìn)行了推導(dǎo),建立其時(shí)域遞推公式,并與基本FDTD算法進(jìn)行了比較,確定了開(kāi)展并行計(jì)算的必要性。2.對(duì)基于OpenMP的并行FDTD算法進(jìn)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(jī)上實(shí)現(xiàn)并行FDTD算法。然后運(yùn)用該算法分別模擬非色散和色散結(jié)構(gòu),以測(cè)試其并行計(jì)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(jì)算時(shí)間,其并行加速比可以達(dá)到9.54。但是該方法受單個(gè)計(jì)算機(jī)物理性能的限制,不能滿(mǎn)足較大計(jì)算量和內(nèi)存需要。3.對(duì)基于MPI的并行FDTD算法進(jìn)行了研究。運(yùn)用MPI技術(shù)在高性能計(jì)算集群系統(tǒng)上實(shí)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(tái)上對(duì)該程序的并行性能進(jìn)行了測(cè)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(jì)算機(jī)資源耗用過(guò)大的問(wèn)題,大幅度的減少計(jì)算時(shí)間。以16核的計(jì)算時(shí)間為基準(zhǔn),當(dāng)運(yùn)用1024個(gè)核時(shí),其并行加速比可以達(dá)到37.76。4.對(duì)表面等離子體波導(dǎo)微環(huán)諧振器進(jìn)行了研究。運(yùn)用基于MPI的二維并行FDTD算法對(duì)一種雙L形SPW矩形環(huán)諧振器進(jìn)行了設(shè)計(jì),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(lài)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)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(lèi)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(yùn)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(duì)帶隙表面等離子體波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了研究。采用傳輸線理論對(duì)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(jìn)行了分析,將其與并行FDTD方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(shí),可以對(duì)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(duì)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(jìn)行了研究。這種濾波器具有類(lèi)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(jiǎn)單,更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。6.對(duì)流星余跡通信八木天線的性能改進(jìn)方法進(jìn)行了研究。針對(duì)八木天線難以理論分析和實(shí)際調(diào)試的特點(diǎn),給出其多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程。采用X形結(jié)構(gòu)作為基本有源振子實(shí)現(xiàn)了一種寬帶八木天線,并進(jìn)行了加工實(shí)測(cè)。然后,為滿(mǎn)足MBC的寬帶高增益要求,對(duì)天線的反射單元進(jìn)行了改進(jìn),并證實(shí)了運(yùn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)了一種寬帶寬波束八木天線。這些改進(jìn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN828

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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

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本文編號(hào)：1244459