不均勻介質(zhì)中的電磁波傳播理論分析在無線通信、微帶電路等諸多領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用。近幾十年,國內(nèi)外對高頻電路中天線、電磁波傳播分析的研究較多,而對于低頻電磁波傳播分析的理論研究相對較少,有必要對其深入研究下去;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題,主要對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)中的求解方法進行了研究。現(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,論文研究了地磁場強度對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強干涉的分布情況。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)的表達式�；趷劾锖瘮�(shù)描述下甚低頻電磁波場表達式,利用邊界條件,對端口進行分析,推導(dǎo)出“突變”波導(dǎo)模轉(zhuǎn)換系數(shù)的表達式;進而,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,通過數(shù)值計算討論了各階模轉(zhuǎn)換影響的大小。3、進一步,基于模轉(zhuǎn)換系數(shù),求解了跨越晝夜過渡區(qū)甚低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的反射總場及散射總場。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,計算了模轉(zhuǎn)換干涉后甚低頻電磁波的幅度和相位,通過與實測數(shù)據(jù)的對比,驗證了方法的可行性。4、研究了垂直電偶極子在平面分層介質(zhì)中激勵電磁波的解析求解方法。對平面三層介質(zhì)模型中極點隨中間介質(zhì)層厚度變化規(guī)律進行了研究,利用網(wǎng)格剖分,改進了傳統(tǒng)算法對極點與涂敷介質(zhì)層厚度的對應(yīng)關(guān)系;分析了垂直電偶極子激勵下平面N層介質(zhì)中電磁場的Sommerfeld積分,于空氣與介質(zhì)分界面上分別討論了直達波、理想反射波、側(cè)面波和吸附表面波分量的求解方法,通過算例,說明電磁波各分量的傳播特性及其對總場的影響貢獻的大小。5、研究了平面N層介質(zhì)中極點的解析求解方法。利用數(shù)學(xué)推導(dǎo),建立了基于廣義系數(shù)的改進極點方程,從而,將原本多次嵌套的方程求解問題轉(zhuǎn)化為簡單的函數(shù)迭代關(guān)系。通過對極點表達式的化簡過程,大大簡化了數(shù)值和解析方法對極點求解的難度,為平面多層結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計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。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。尤其是近來中國科學(xué)院黃維院士等人基于對發(fā)光??二極管（Ｌｉｇｈｔ?Ｅｍｉｔｔｉｎｇ?Ｄｉｏｄｅ，?ＬＫ））的理論分析，成功引進新材料鈣鈥礦用于發(fā)光二極管電??路設(shè)計當(dāng)中，實現(xiàn)導(dǎo)波分量抑制的同時，將外量子效率提高到２０．７％，較國際同行提升近??一半，成果近日在國際學(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１２１。??《簡氏防務(wù)周刊》２０１８年６月１４日報道１２１，美國國防部先進技術(shù)局（ＤＡＲＰＡ）宣布將成立新??研究機構(gòu)，開始研制在ＧＰＳ?（Ｇｌｏｂａｌ?Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ，?ＧＰＳ）無法使用或嚴重干擾條件下，使??用甚低頻電磁波實現(xiàn)精確定位、導(dǎo)航和授時（Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?ａｎｄ?Ｔｉｍｉｎｇ，?ＰＮＴ）的技??術(shù)（如圖ｌ－ｌ（ｂ）、圖ｌ－ｌ（ｃ））�？梢�，甚低頻電磁波在無線通信中發(fā)揮著日益重要的作用。而??研究遠距離傳播路徑中“地－電離層波導(dǎo)”的不均勻性對研究甚低頻電磁波的傳播特性具??有重要意義，并可以進一步改善和提高甚低頻電磁波在實現(xiàn)上述定位、導(dǎo)航等技術(shù)中理論??計算的精確性。??此外，在實際計算中，我們還常常遇到電磁波在平面分層介質(zhì)中傳播的問題，這種模??型的建立是對實際應(yīng)用的抽象得出。例如：在覆蓋冰層的海面上進行長波傳播的研究；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分析等等。這類問題均可看作是電磁波在三層介質(zhì)中??傳播的問題

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，對兩層Ｚｅｉｍｅｃｋ表面波傳播的研究相對較少［１２１］。本文??中主要討論對三層及多層介質(zhì)中的表面波的估值，僅對吸附表面波進行了研究，故沿用??Ｋｉｎｇ，?Ｗａｉｔ，?Ｃｏｌｌｉｎ等人的說法，稱之為吸附表面波。本文基于上述研究基礎(chǔ)，將重點對吸??附表面波進行理論研究，根據(jù)Ｗａｉｔ在文獻［７９］中給出的空氣與介質(zhì)分界面表面阻抗的表達??式，在定義極點方程時以嵌套的形式出現(xiàn)，這對于求解多層介質(zhì)中的極點帶來困難，因此，??解析求解方法對于多層介質(zhì)而言存在局限性。目前，國內(nèi)外研究多層介質(zhì)中電磁波傳播問??題還是以數(shù)值方法居多［１２２?１３８］。其中
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本文編號：2866810