光子晶体vlasov天线辐射特性研究

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!*++,年$月-./-01234567346)80649.:53;36<77=>(，*++,!文章编号：!"++"?@A**（*++,）+$?"BA$?+B!光子晶体!"#$%&天线辐射特性研究"，*AAAA银!燕，!郑秋容，!张!辉，!林宝勤，!袁乃昌（"’国防科学技术大学理学院应用物理系，长沙@"++CA；!*’国防科学技术大学机电工程与自动化学院，长沙@"++CA；A’国防科学技术大学电子工程学院电子技术系，长沙@"++CA）!!摘!要：!通过在%’DE&F天线口径上加装金属面，再在金属面上环绕天线口径排布金属圆柱构成光子

2、晶体，设计出一种新型的光子晶体%’DE&F天线。数值仿真及实验结果均表明，光子晶体的带隙特性改善了天线的辐射特性，使得3面上的最大增益在工作频段内平均提高了*(@AG;。!!关键词：!光子晶体；!高功率微波；!%’DE&F天线；!辐射特性!!中图分类号：!9)#*+；1@A!!!!文献标识码：!6!!高功率微波天线辐射技术是高功率微波系统中的关键技术，决定着能否将微波能量有效辐射出去。许多高功率微波源产生的微波模式为轴对称模，如圆波导9<+!，93+!或同轴93<模，这些模式具有旋转对称性，将产生空心圆锥状的远场方向图。%’DE&F天线是一种直接辐射轴对称模式的辐射器，是一种圆波导末端

3、切口的［"］结构，其非对称结构可以将圆波导中的轴对称模式辐射为具有一定方向性的空间辐射场。%’DE&F天线具有结构简单的优点，但其主要缺点在于方向图特性不理想、增益较低。对于%’DE&F辐射器已进行大量数值和实［*?,］［,］［@］验研究。一些改进的设计方案，如添加抛物柱面反射器、在切口处连接一个变张角圆锥喇叭等也被提出，以改善%’DE&F天线的辐射特性。［*］!!本文针对O=F=’?KLM型%’DE&F天线（渐变截面切口形状，如图"所示），提出了一种新型的设计方案，即在天线口径附近加装金属光子晶体，利用光子晶体的带隙特性，对天线辐射波束进行聚束，从而提高天线的增益，使得辐射特性得到了

4、显著改善。HIJ("!;=F=’?KLM%’DE&FDNM=NND图"!;=F=’?KLM型%’DE&F天线示意图()金属光子晶体的设计!!光子晶体又称为光子带隙材料（>P&M&NIK?ODNG?JD>QDM=RID’，简称0;/），是由全同的结构单元在空间中周期排列而形成的一种新型人工功能材料，其基本特征是具有电磁频率带隙，频率处于带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。自"$#C年3(SDO’&N&FIMKP和7(T&PN分别独立地提出光子晶体的概念以来，光子晶体已经成为研［C］究热点，在光电子学、材料科学、电磁场与微波技术等领域得到了广泛应用。!!光子晶体按照组成结构单元的材料来分类

5、，可以分为介质型、金属?介质型和金属型。金属型光子晶体具有宽禁带特性，主要应用于微波领域。麻省理工学院（<.9）的研究人员将*维金属型光子晶体应用于回旋管等［#?$］高功率微波器件上，实现了很好的选模效果。!!对于金属型光子晶体色散特性的分析，在光学波段，必须考虑金属的复介电函数，计算比较复杂。而在微波波段，可以把金属视为理想良导体，对计算区域中出现的金属面［$］［"+］施加适当的边界条件即可。我们采用有限差分方法，计算了无限长金属圆柱在空气中按矩形点阵周期排列构成的理想*维金属光子晶体在微波波段的带隙。HIJ(*!7KP=Q=&UEVLDR=’DMMIK=0;/!!图*（D）是实空间

6、中的*维矩形点阵0;/结构。"，#EMRLKMLR=IN（D）R=D’E>DK=；（O）R=KI>R&KD’E>DK=方向的周期均为$，金属柱半径为%。虚线所示区域是最小的图*!二维矩形点阵光子晶体（D）实空间；（O）倒格子空间!收稿日期：*++B?""?*"；!!修订日期：*++,?+B?*,基金项目：国家安全重大基础研究项目资助课题（B"A+C）；国家#,A计划项目资助课题作者简介：银!燕（"$CC—），女，在站博士后，主要从事光子晶体以及激光等离子体数值模拟的研究；WINWDNEI’F=RXWDP&&(K&Q(KN。:L6,强激光与粒子束第:<卷结构单元，称为光子晶体的元胞。图!

7、（"）是倒格子空间中的!维矩形点阵#$%结构，虚线所示区域为第一$&’(()*’+区，其中阴影区为简约$&’(()*’+区，!（,，,），!（!-"，,）和#（!-"，!-"）为高对称点。根据$()./定理和光子晶体的周期性，整个波矢空间都可以用简约$&’(()*’+区内的波矢平移得到，而简约$&’(()*’+区边界点上的本征频率必取极值。因此，求解本征模时，只需要令波矢沿着简约$&’(()*’+区的边界扫描即可。00在!维情况下，波入射有12