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1、分 类 号 密 级 U D C 单位代码 10151 基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计谭 晓 明指导教师房少军职称教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别硕士学科与专业通信与信息系统论文完成日期2008.1论文答辩日期2008.3.26答辩委员会主席The Analysis and Design of Slot Antenna Based on Finite-Difference Time-Domain Method Dissertation Submitted toDalian Maritime UniversityIn partial fulfillment of the requi
2、rements for the degree ofMaster of EngineeringByTan XiaoMing(Communication and Information System) Dissertation Supervisor: Professor Fang ShaojunJanuary, 2008大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文 “基于时域有限差分法的缝隙天线分析与设计” 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明.
3、本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于： 保密 不保密（请在以上方框内打“” ）论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日摘
4、 要时域有限差分法（FDTD）作为一种电磁场数值计算方法以其简单、直观等特点近年来备受业界关注和厚爱。本文按由简到繁的顺序，逐步介绍FDTD在一维、二维和三维电磁场问题上的基本使用技术，旨在给出该方法的基本构成脉络，并运用此方法分析计算单裂缝天线。作为裂缝阵列天线的理论基础，本文从对偶原理出发，分析并比较了半波对称振子和半波缝隙天线的场型特点，在此基础上分析了波导上单个缝隙的辐射机理和型式，并分析了由多个缝隙构成的波导裂缝天线阵的特点，给出相关的计算公式。单端馈电的波导裂缝天线，它的长度受到雷达发射脉冲宽度的限制，因此在港口雷达站等要求窄波束的条件下，大型裂缝天线就难以实现。但裂缝天线有许多优
5、点，为了克服上述矛盾，论文的最后设计了一种双端相向馈电的波导裂缝天线，并借助Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS进行仿真。根据对方向图的要求，采用修正的切比雪夫阵设计该天线各缝隙的电流分布，并编写MATLAB程序进行计算。由于窄边开缝的波导裂缝天线各个缝隙排列复杂，给HFSS建模带来了困难，所以本文提供了利用MATLAB生成脚本程序来建立仿真模型的方法，该方法能快速准确地建立复杂模型。仿真结果表明所设计的双端相向馈电的波导裂缝天线基本满足使用要求。关键词：裂缝天线；时域有限差分法；双端馈电；切比雪夫阵；AbstractAs a numerical calculating method o
6、f electromagnetic field, the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method is generally favored in the professional field because of its simplicity. Arranged in an order from simple to complex, this paper introduces respectively the basic operating technique of FDTD used in one dimensional, two dimens
7、ional and three dimensional electromagnetic field problems. It is aimed to explain the basic structure of this method and use it to analyze and calculate a slot antenna.Proceeding from the principle of duality, the paper analyzes and compares the field features of half-wavelength band dipole and hal
8、f-wavelength aperture antenna, which is the theoretical basis of slotted antenna array, Based on this then, the author will analyze the mechanism of a aperture in on a waveguide and the features of slotted-waveguide antenna array formed by a number of aperture. Finally, the author presents the relev
9、ant formulas.Excited from a single end of a waveguide, the length of a slotted-waveguide antenna is restricted by the width of radar transmitted pulse, so it is difficult to implement a large-scale radar slot antenna with narrow beams. However, we should not ignore the fact that slot antenna has man
10、y advantages. To overcome this contradiction, the paper provides a design of slotted-waveguide antenna which is excited from both end of the waveguide, and simulates it with the help of HFSS. According to the requirement of directivity, this researcher designs the amplitude distribution of the apert
11、ures based on modified Chebyshev array, and calculates it by writing program using MATLAB. The complex arrangement of the slots in the narrow face of a waveguide brings much trouble to model it in HFSS, so the present paper offers a method to create the model by producing model scripts in MATLAB. Th
12、is method can establish a complex model quickly and exactly. The simulating result shows that this antenna can basically satisfy the practical requirement.Key Words：slot antenna；FDTD；both end excited；Chebyshev array 目 录第1章 绪论11.1缝隙天线的研究状况及发展11.2单端馈电雷达裂缝天线的问题11.2.1脉冲宽度与天线长度11.2.2天线效率21.3时域有限差分法概述21.4
13、论文的主要内容3第2章 缝隙天线的基本原理42.1对偶原理42.1.1电偶极子与磁偶极子的对偶性42.1.2电流元和磁流元的对偶性42.1.3对偶原理的建立52.2理想缝隙天线的辐射机理62.3波导缝隙的辐射机理82.3.1开缝形式82.3.2波导缝隙的阻抗特性92.4波导缝隙天线阵11第3章 时域有限差分法的基本应用143.1引言143.2一维电磁问题的FDTD基本技术153.2.1 自由空间一维电磁波传播的FDTD模拟153.2.2一维电磁波在无耗介质中传播的FDTD模拟183.2.3一维平面波在导电损耗介质中传播的FDTD模拟203.2.4色散媒质的处理方法223.3二维电磁问题的FDT
14、D基本技术243.3.1二维FDTD基本计算公式243.3.2二维各向异性PML吸收层27第4章 应用FDTD计算缝隙天线远场344.1三维FDTD计算公式344.1.1 Yee元胞344.1.2自由空间中三维FDTD公式354.2使用FDTD计算缝隙天线远场波形37第5章 双端相向馈电波导缝隙天线设计445.1引言445.2具体设计过程455.2.1切比雪夫分布律455.2.2各缝隙电导和倾角的计算505.2.3缝隙间距和缝隙个数的确定535.3仿真结果和分析54结 束 语56参 考 文 献57致 谢61 第1章 绪论1.1缝隙天线的研究状况及发展对缝隙天线的研究始于二十世纪四十年代。经过几
15、十年的研究，缝隙阵列天线在理论和实践上都得到了很大的发展1。缝隙天线最早是在1946年由H.G.Booker提出，但当时没有引起学者的注意2。A.F.Stevenson3于1948年发表了题为“Theory of Slot in Rectangular Waveguide”的论文，建立了关于波导缝隙辐射的基本理论模型，把波导上的缝隙等效为传输线上的并联电导或串联电阻，但是，在Stevenson的理论模型中已假定波导壁厚近似为零，显然这与实际情况存在一定的偏差。1959年A.A.Oliner4发表论文“The Impedance Properties of Narrow Radiating Slots in the
