全金属Fabry-Perot谐振腔天线

为实现远距离微波无线能量传输,发射天线应具有耐受大功率、高增益、低损耗和结构简单等优点。针对以上需求,文章设计了一款全金属结构的Fabry-Perot谐振腔天线。整个天线包含全金属腔体,波导馈口和双层金属栅格覆盖层。覆盖层的尺寸为3λ_(0)×3λ_(0),λ_(0)为对应的工作波长。每一层金属栅格都包含9×9个单元。所设计的双层覆盖层可以看作是一种电磁带隙结构,通过优化双层金属栅格单元的厚度和间距,实现了工作频段的宽带化,仿真结果表明其在9.72GHz~10.3GHz之间实现了插入损耗小于3dB的宽频带传输特性。通过电磁带隙结构对馈源辐射出来的微波进行幅度和相位的修正实现增益的提高,仿真结果表明:不加载双层覆盖层时该天线的增益为9.7dBi,加上覆盖层之后增益提高到了17.76dBi。为了验证上述设计和仿真,加工制作了一款全金属结构Fabry-Perot谐振腔天线,实测结果表明:该谐振腔天线在10GHz实现了17.31dBi的高增益,同时在9.51GHz~11.42GHz之间获得了回波损耗大于10dB的阻抗带宽。

高增益Fabry-Perot谐振腔锥状波束天线

锥状波束天线是一种方向图最大增益方向与天线法线呈一定角度,围绕法线轴向对称的天线,广泛应用于车载卫星通信、射电天文等工程中。本文提出了一种基于Fabry-Perot谐振腔的高增益锥状波束天线。将漏波理论和EBG天线理论相结合,设计了一种具有牛眼缝隙FSS覆盖层的腔结构,该结构在特定的缺陷频率下谐振。通过使用径向波导180°E形弯头的结构设计,中间放置馈电探针,馈电后激励起径向波导的TEM模式控制孔径分布,以实现期望的增益和旁瓣水平。通过优化设计,使得该锥状波束天线在中心频率12.5GHz时,产生仰角30°的锥状波束,阻抗带宽为2.2%,天线增益14.3dBi。

带内低RCS的高增益宽带Fabry-Perot谐振腔天线

本文提出一种具有带内低RCS的高增益宽带Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线。利用类球形地的开放谐振腔,在谐振基础上激发高次模谐振来扩展F-P天线的宽带。利用尺寸可灵活独立调节的多层PRS单元,针对主极化辐射对天线高次模下辐射的表面电场相位进行调整,以降低方向图旁瓣电平;针对交叉极化散射,能实现约180°的反射相差,然后通过棋盘式布阵来实现带内交叉极化的单站RCS缩减。最终,设计并仿真了整体天线,得到3dB实际增益带宽为33.66-38.69GHz(13.9%),最大增益为24dBi,在33.66-37GHz(9.4%)内的旁瓣电平低于-8dB。在33.6-39.2GHz带宽内,主极化入射时天线具有较低的单站RCS;而对于交叉极化入射,天线单站RCS相较于地板降低了8dB以上。

一种基于共享孔径Fabry-Perot谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线

设计了一种工作于X波段的基于共享孔径Fabry-Perot(F-P)谐振腔结构的宽带高增益磁电偶极子微带天线,并设计了三种不同尺寸的双层频率选择表面(FSS)单元,通过共享孔径布阵组成了超材料覆层.利用三种FSS单元的相位补偿特性,有效拓展了覆层天线的增益带宽.实测和仿真结果均表明,加载超材料覆层后,磁电偶极子天线在7.8—12.3 GHz内S_(11)<-10 d B,相对带宽达到44.7%,覆盖整个X波段.天线增益在7.9—12.1 GHz内均有明显的提高,最大提高了7 d B.相较于传统的F-P谐振腔结构覆层天线,设计的基于共享孔径的F-P谐振型超材料覆层天线能够明显拓展天线增益带宽,在新型宽带高增益天线设计方面具有广阔的应用前景.

8mm波段Fabry-Perot谐振腔及其在约瑟夫森结特性测量中的应用

通过三维电磁仿真技术设计并制作了8mm波段Fabry-Perot谐振腔,并建立起一套Fabry-Perot谐振腔高温超导约瑟夫森结特性测试系统.用它测量了Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性,得到高质量的夏皮罗台阶,并与在U形波导测试系统中测得的结果进行了比较,发现利用Fabry-Perot谐振腔测量技术可显著提高外加电磁场与约瑟夫森结的耦合效率,为进一步研究毫米/亚毫米波信号检测、THz波信号源等研究打下坚实的基础.

高增益高效率的Fabry-Perot谐振腔天线研究

提出了一种采用非均匀频率选择表面(frequency selective surface, FSS)盖板以及非均匀电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构反射地板的高增益Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线.基于漏波理论模型,针对大口径F-P谐振腔天线设计非均匀的FSS盖板和EBG反射地板,控制衰减常数α和相位常数β,改善了口径场上幅度相位分布的均匀性,并抑制了非谐振频率时天线辐射性能的恶化,实现高增益和高口径效率的同时,保证了天线的工作带宽.所提出的圆形F-P谐振腔天线直径为6.6λ0,仿真增益为24.6 dBi,口径效率达67.9%,阻抗带宽为4.1%,3 dB增益带宽为3.7%;实测增益为23.9 dBi,口径效率达56.9%.由于对口径场均匀性的设计,该天线克服了传统F-P谐振腔天线的口径效率和增益间的相互限制.

加载部分均匀覆盖层的Fabry-Perot谐振腔天线设计

本文采用了部分均匀覆盖层,设计了一款新型的高增益Fabry-Perot谐振腔天线.该天线覆盖层采用部分均匀结构,划分为3×3个区域,不同区域内贴片的尺寸不尽相同.每个区域内包含5×5个矩形贴片,单元尺寸一致.由于各区域的贴片尺寸不同,使得部分反射层不同区域内的反射系数和透射系数也不同,从而改善了天线口径面上的幅度和相位的均匀度.仿真结果表明,天线的阻抗带宽(|S11|<-10 dB)为3.77%(5.72~5.94 GHz).在工作频率5.8 GHz处,天线的主交叉极化相差30 dB以上,增益达到19.9 dBi.

基于人工磁导体表面的低剖面Fabry-Perot谐振腔天线设计

该文基于人工磁导体表面(Artificial Magnetic Conductor,AMC)设计了一款工作在7 GHz的新型低剖面Fabry-Perot谐振腔天线.该天线采用带金属接地板的矩形微带贴片天线作为初级馈源,由同轴探针进行馈电.以单层双面印制AMC表面作为天线的部分反射层,所设计AMC表面共包含8×8个均匀阵列单元,单元上层为带有方环的方形贴片,下层为菱形贴片.通过分析不同结构参数对AMC散射特性的影响,确定AMC反射相位为-25°,使得腔体的剖面高度降低至约9.2 mm(0.215λ,λ为7 GHz自由空间波长).制作了天线实物并进行测量,结果表明,天线阻抗带宽(S11<-10 dB)为14%(7 GHz~8.5 GHz),增益达到13.8 dBi,旁瓣水平低至-21.3 dB,表明该天线在保证低剖面同时仍具有良好的辐射性能.

加载分形EBG地的低剖面Fabry-Perot谐振腔天线设计

本文设计了一种新型的高增益低剖面Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线.该谐振腔天线通过在下层地平面加载电磁带隙结构(Electromagnetic Band-Gap,EBG)改变接地板反射相位,采用Minkowski分形结构来设计EBG单元,使得接地板反射相位分布更为均匀,从而降低了天线的剖面高度.覆盖层采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)均匀贴片阵列,电磁波在口径面上实现同向叠加,天线获得高增益定向特性.辐射源采用传统的矩形微带贴片,结构简单.仿真结果表明,天线的剖面高度降低为λ/4(λ为5.8 GHz自由空间波长),阻抗带宽(|S11|<-10 dB)为3.1%(5.78 GHz~5.96 GHz).在工作频率5.8 GHz处,天线增益达到17 dBi.

宽带介质覆层Fabry-Perot谐振腔天线设计

结合传输线理论和史密斯圆图分析,文中提出了一种利用全介质部分反射覆层构造宽带Fabry-Perot谐振腔天线的方法。所设计的覆层结构在工作频带内拥有正斜率的反射相频特性,可满足谐振腔天线的宽带谐振条件。运用该方法设计了工作于Ku频段的宽带Fabry-Perot谐振腔天线,通过仿真计算和样件加工测试验证了该方法的正确性和有效性。

嵌入Fabry-Perot谐振腔的Tl-2212双晶约瑟夫森结的特性

采用嵌入Fabry-Perot谐振腔的方式,测量并研究Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导薄膜双晶约瑟夫森结的毫米波辐照特性。通过精细调节谐振腔的各种参数,可使双晶约瑟夫森结与外加毫米波达到最佳耦合,在最佳耦合情况下,能观察到5级明显的夏皮罗台阶。初步测量了由667个双晶约瑟夫森结组成的串联结阵列的毫米波辐射特性,得到中心频率为78.7 GHz,大约6 pW的辐射功率。

Josephson结阵列与Fabry-Perot谐振腔的耦合

通过对Fabry-Perot谐振腔与嵌入其中的串联双晶Josephson结阵列的耦合特性的仿真研究,分析了影响耦合效率的重要因素,并找出了它们对谐振腔的谐振频率和结阵列中各结上感应电流及其一致性的影响,最终通过合理优化,在串联结阵列上得到了高幅值的均匀的感应电流。这对于实际中利用串联Josephson结阵列,在实现相位同步的情况下,观测高频微波辐照下的Shapiro台阶有指导意义。

基于非均匀设计的高口径效率Fabry-Perot谐振腔天线

Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线通常易实现高增益,但由于口径场非均匀的电磁场分布,使得其在大口径尺寸下的口径效率较低。本文设计了一种新型的F-P谐振腔天线,该天线采用非均匀特异媒质覆盖层实现口径场等幅分布,并通过非均匀特异媒质反射地实现口径场同相分布,从而提升F-P谐振腔天线在大口径尺寸下的口径效率。基于射线追踪法,推导了非均匀覆盖层和非均匀反射地的设计公式。本文设计、加工并测试了一款口径尺寸为5.18λ(λ为自由空间波长)的圆形F-P谐振腔天线。仿真和测试结果吻合良好,|S11|<-10 d B的阻抗带宽为4.14%(5.740~5.980 GHz);在工作频点5.8 GHz处,该新型F-P谐振腔天线的增益为23.8 d Bi,与传统F-P谐振腔天线相比,其口径效率从78.9%提高到90.5%。

具有尖锐吸收截面和显著增强电场的等离激元-光子混合谐振腔

研究了由二维光子晶体微腔和金纳米天线组成的等离激元-光子混合谐振腔中光学谐振腔对等离激元谐振腔的额外贡献。研究结果表明:与纯等离激元谐振腔相比,混合体系的吸收截面和电场强度均明显增强。特别地,混合谐振腔的吸收截面谱呈现出类Fano线形和尖峰,可以通过改变金纳米天线的数量或金纳米天线与光子晶体微腔之间的共振波长失谐进行调制。此外,混合谐振腔的电场增强因子比金纳米天线高出3个数量级。可为光热探测和光谱增强研究提供新的平台。

双组分织物含水率的微波谐振腔法测量技术

针对染整过程中多组分织物含水率准确检测问题,提出了一套基于微波谐振腔法的织物含水率检测系统。首先,基于Bruggeman-Hanai介电混合模型,结合织物结构特征建立了单组分织物含水率与介电常数的关系模型;通过考虑织物厚度与多组分织物组分配比的影响,建立了双组分织物含水率介电常数模型。接着,开展湿度均匀的纯棉、涤纶、混纺织物的介电常数测量实验,采用贝塞尔拟合方法,得到双组分织物介电常数模型的系数,从而获得了不同材质、厚度、组分配比下织物含水率与介电常数的关系模型。通过比较实验织物样品含水率与理论模型预测结果发现,二者吻合较好,均方根误差小于5%,从而验证了双组分织物含水率介电模型的可行性,为后续纺织品含水率检测提供技术支撑。

电磁损耗介质对谐振腔TM_(0)模谐振频率和品质因数的影响研究

微波谐振腔作为现代工业微波器件的基本组成部分,在决定器件性能方面起着重要作用。在实际应用中,通常在谐振腔壁涂敷电磁损耗介质以满足设计需求,因此分析这类谐振腔的电磁特性具有一定的理论意义和应用价值。本文基于一个加载电磁损耗介质谐振腔的基本模型,依据模式匹配方法在介质不连续处建立起的匹配关系,得到了计算TM_(0)模谐振频率和品质因数的一般表达式,通过计算第一个谐振模式TM_(01)模分析了损耗介质厚度、种类对其电磁特性的影响规律。计算结果与电磁场仿真软件微波工作室(Computer Simulation Technology Microwave Studio,CST-MWS)仿真结果吻合良好,证明了该算法对于电磁损耗介质加载的谐振腔特性计算与分析是有效的。

基于深度学习的微环谐振腔法诺效应调控

在微腔耦合波导上设计空气孔阵列,结合深度学习调控微腔的法诺线型,实现对微腔传感性能的优化。建立了正向预测网络模型,在24 ms内实现从空气孔阵列结构到微腔透射谱线的预测。结合卷积神经网络与逆向设计实现了对微腔透射谱线的定向调控,预测了不同指标下空气孔阵列的趋势,验证了空气孔阵列结构与微腔透射特性的关系。

基于微纳光纤结型谐振腔的低频水声传感器

通过将谐振腔置入有利于将声压变化有效传导到谐振腔的材料中,可以实现基于光学微纳结型谐振腔的水声传感器。提出了一种基于微纳光纤技术的结型谐振腔水声传感器,其尺寸更小,对于低频信号有出色的探测能力。将直径为3.5μm的光学微纳纤维制备成曲率半径为550μm的结型谐振腔,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜将其以上、下包裹的形式封装到镂空玻璃基底上,完成水声传感器的制备。PDMS具有比SiO_(2)低的折射率,并表现出良好的传输性能。采用PDMS封装谐振腔提高了传感器的品质因数(1.45×10^(4)),也有利于在水下更好地保护谐振腔。采用滤波放大技术来解调接收到的声信号,测试结果表明,该传感器在12.5~100 Hz内的灵敏度均值为-148.6 dB,信噪比均值为40 dB。

基于光注入电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器获取光学频率梳

提出了一种基于电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器在外部光注入下产生光学频率梳的方案,实验研究了关键参量对所产生的光学频率梳性能的影响。在该方案中,首先采用频率为1.6 GHz(激光器弛豫振荡频率)、功率为19 dBm的正弦信号直接电流调制弱谐振腔法布里珀罗激光器,使其进入增益开关状态;进一步引入单光注入以及双光注入以获取高性能光学频率梳。实验研究结果表明:采用单光注入时,在合适的注入光功率条件下,连续变化注入光波长可使产生的光学频率梳的中心波长在1525~1560 nm内实现连续调谐。光学频率梳的梳线数目呈现周期性变化,变化周期为激光器的纵模间距0.28 nm(35 GHz);在给定注入光波长条件下,逐渐增加注入光功率,光学频率梳的梳线数目先在一个较高水平附近振荡,然后急剧下降,最后趋于平缓,而光学频率梳的载噪比呈现先增加后饱和的趋势;在优化单光注入参数条件下,获得了梳线功率在10 dB变化范围内包含49根梳线的光学频率梳。引入额外的注入光构建双光注入,在优化的参数条件下,获得了梳线功率在10 dB变化范围内包含92根梳线的光学频率梳。最后,对单光注入和双光注入以及不同注入波长间距的双光注入所产生的光学频率梳各梳齿之间的相干性进行了分析,发现各种光注入方式下所产生的光学频率梳各梳齿之间均具有强的相干性,其拍频信号中基频的单边带相位噪声均处于−125.0 dBc/Hz@10 kHz左右的水平。

实时双环谐振腔光谱包络拟合

双环级联谐振腔(Cascaded Microring Resonators,CMRR)传感器作为一种新型的光学传感器,因具有高灵敏度、易于集成、功耗小等优点被广泛应用于生物、医学等领域。为了实现CMRR传感器输出光谱的实时数据分析处理,提出了一种基于Python的实时CMRR传感器输出光谱包络拟合方法。首先,利用不同的拟合模型对CMRR传感器输出光谱进行拟合;然后,通过灵敏度误差百分比对不同拟合模型的拟合误差进行比较,结果显示平滑样条拟合法在实时处理CMRR传感器输出光谱过程中表现最佳;最后对不同浓度的NaCl溶液进行实时输出光谱采集处理,验证了CMRR传感器输出光谱实时采集处理程序的可靠性。实验结果表明CMRR传感器的波长漂移量与溶液浓度呈线性关系。通过计算可知CMRR传感器对于盐水的灵敏度约为671.03529 nm/RIU。