电磁波在横向突变波导与平面多层结构中的传播理论研究

论文摘要

不均匀介质中的电磁波传播理论分析在无线通信、微带电路等诸多领域中都有着重要的应用。近几十年,国内外对高频电路中天线、电磁波传播分析的研究较多,而对于低频电磁波传播分析的理论研究相对较少,有必要对其深入研究下去;另一方面,随着新材料的发现,表面波在多层电路结构中的应用引起了越来越多的关注。本文围绕着不均匀介质中电磁波理论的传播问题,主要对甚低频电磁波在突变等效电离层高度下的地-电离层波导中的传播特性,以及吸附表面波在平面多层结构中的求解方法进行了研究。现将主要工作总结如下:1、研究了甚低频电磁波在地-电离层波导中的传播特性。由于电离层在地磁场影响下呈各向异性特性,TM波与TE波发生耦合,论文研究了地磁场强度对甚低频电磁波的衰减率、相速度等特性的影响,并研究了电磁波在空间传播形成场强干涉的分布情况。2、推导了昼夜不均匀波导端口连接处模转换系数的表达式。基于爱里函数描述下甚低频电磁波场表达式,利用边界条件,对端口进行分析,推导出“突变”波导模转换系数的表达式;进而,利用积分变换,将“突变”波导情况的模转换系数推广至“缓变”波导的情况,最后,通过数值计算讨论了各阶模转换影响的大小。3、进一步,基于模转换系数,求解了跨越昼夜过渡区甚低频电磁波在地-电离层波导中的反射总场及散射总场。研究了甚低频电磁波在传播路径上的模转换干涉现象,计算了模转换干涉后甚低频电磁波的幅度和相位,通过与实测数据的对比,验证了方法的可行性。4、研究了垂直电偶极子在平面分层介质中激励电磁波的解析求解方法。对平面三层介质模型中极点随中间介质层厚度变化规律进行了研究,利用网格剖分,改进了传统算法对极点与涂敷介质层厚度的对应关系;分析了垂直电偶极子激励下平面N层介质中电磁场的Sommerfeld积分,于空气与介质分界面上分别讨论了直达波、理想反射波、侧面波和吸附表面波分量的求解方法,通过算例,说明电磁波各分量的传播特性及其对总场的影响贡献的大小。5、研究了平面N层介质中极点的解析求解方法。利用数学推导,建立了基于广义系数的改进极点方程,从而,将原本多次嵌套的方程求解问题转化为简单的函数迭代关系。通过对极点表达式的化简过程,大大简化了数值和解析方法对极点求解的难度,为平面多层结构应用设计提供一定的理论参考和帮助。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

符号对照

1 绪论

1.1 研究工作的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地-电离层波导理论

1.2.2 分层介质中电磁波传播理论

1.3 本文内容安排

2 甚低频电磁波在地-电离层波导中传播特性研究

2.1 引言

2.2 甚低频电磁波在地-电离层波导中传播分析基础

2.2.1 球面波导中的场分析

2.2.2 利用Airy函数描述求解球面模型下场分量的模方程

2.3 各向异性地-电离层波导概述

2.3.1 地-各向异性电离层波导物理模型

2.3.2 波导中的电磁场满足的微分方程和边界条件

2.4 甚低频电磁波在地-各向异性电离层波导中产生的场

2.4.1 球面二级近似下波导中的波型结构

2.4.2 模方程

2.4.3 高度因子和激励因子

2.5 数值计算与讨论

2.6 小结

3 甚低频电磁波在横向不均匀波导中模转换系数推导

3.1 引言

3.2 电离层等效高度突变下波导场分析

3.2.1 等效高度突变地-电离层波导物理模型

3.2.2 二端口场分析

3.3 模转换系数

3.3.1 等效电离层高度昼夜“突变”的情况

3.3.2 等效电离层高度昼夜“缓变”的情况

3.4 数值分析与讨论

3.5 小结

4 昼夜过渡区甚低频电磁波在地-电离层波导传播理论分析

4.1 引言

4.2 昼夜过渡区的模转换干涉研究

4.2.1 幅度变化

4.2.2 空间分布

4.3 甚低频电磁波昼夜过渡区模转换干涉的相位影响

4.3.1 相位表达式

4.3.2 观测数据分析

4.4 小结

5 平面分层介质中电磁场解析计算方法研究

5.1 引言

5.2 垂直电偶极子在三层介质中激励电磁场研究

5.2.1 垂直电偶极子在平面三层介质中激励电磁场的解析表达式

5.2.2 电磁波随中间介质层厚度变化规律

5.2.3 改进极点与中间介质层厚度的对应关系

5.2.4 电磁波在涂敷介质上空间分布

5.3 垂直电偶极子激励下平面N层介质中产生的场的积分表达式

5.3.1 空气-介质分界面电磁场Sommerfeld积分式

5.3.2 吸附表面波分量

5.3.3 数值计算及讨论

5.4 小结

6 基于广义系数求解平面N层结构中吸附表面波

6.1 引言

6.2 理论分析

6.2.1 基于广义系数的极点方程

6.2.2 极点方程的一般形式

6.2.3 理想导电基地情况下的极点方程

6.2.4 数值方法求解多层介质结构中极点步骤

6.3 数值计算及讨论

6.3.1 图解法确定三层结构中极点

6.3.2 图解法确定四层结构中极点

6.3.3 图解法确定五层结构中极点

6.3.4 图解法确定六层结构中极点

6.4 小结

7 结束语

7.1 论文的主要研究工作

7.2 下一步的研究工作

参考文献

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 顾婷婷

导师: 李凯

关键词: 甚低频电磁波,昼夜过渡区,极点方程,吸附表面波,侧面波,积分,平面多层结构

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 浙江大学

分类号: TN011

总页数: 123

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电磁波在横向突变波导与平面多层结构中的传播理论研究

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