基于UC-EBG的紧凑微波光子晶体研究

　　0　引言

　　自从1987年Yablonovitch提出光子晶体的概念以来,光子晶体已引起了世界各国研究机构的关注。由于光学波段的尺度很小,加工工艺要求高,所以人工制作光子晶体存在一定的困难。由于微波频段和光波都属于电磁波谱,共同遵从于Maxwell方程,这种周期性通过缩比关系扩展到了微波领域,加工上的难题不复存在,所以光子晶体在微波频段的

　　研究快速开展起来。微波光子晶体(MicrowavePhotonic Crystal, MPC)又称电磁带隙结构(Electromagnetic Band-Gap,EBG)。这是一种自然界中并不存在的特殊电磁结构,这种人造媒质有着不同于天然媒质的特殊性能,比如频率带隙特性、同相反射特性。这些特殊的性能,为人们改善微波器件性能、优化天线参数开辟了一个新的领域。近些年来,EBG结构在微波频段的研究快速开展起来,并且不断获得新的成果。在微带电路里可以用作带阻滤波器[1-2]、谐振器[3-4]、抑制谐波[5]、提高放大器效率[6];在天线方面可以用其作反射面[7],抑制表面波[8],从而改善天线方向图等[9]。

　　早期的EBG结构由于物理尺寸的原因,造成了其在实际应用中的困难。因为在带隙频率内,早期EBG结构,其周期电长度为半波长,给电路和天线的集成造成了很大的不方便。同时,在许多应用场合中,人们期望使用的EBG结构制作简单,成本低廉。因此,实现尺寸紧凑,制备成本低廉的EBG结构成为人们研究的重点。为了达到这一目标,本文根据EBG结构带隙形成机理和等效电路分析模型,对传统的UC-EBG结构进行了改进,得到了一种新型共面紧凑型UC-EBG结构。其所有的结构都在支撑介质的一个表面上制备,制作简单。并通过实验验证了,这种新型EBG结构比传统的EBG结构更加紧凑,而且相对带宽还有一定的改善。

　　1　EBG结构分析与设计

　　根据目前的理论分析,EBG结构的带隙形成机制可分为两种类型:一种是Bragg散射机制。此时带隙的产生主要是因Bragg散射引起,单元周期性的排列引起散射波相位的周期性分布,在特定频率和特定方向上,各单元的散射波构成反相叠加,互相抵消,从而使得电磁波不能传播,形成频率带隙。这类EBG包括基底钻孔和接地面腐蚀两种结构类型;另一种是局域谐振机制。此种EBG结构的表面波阻抗随着电磁波频率的不同而不同。对表面波阻抗的研究可以等效为对有着特定谐振频率的集总LC网络的研究。在谐振频率范围内,EBG结构的表面波阻抗非常高,阻止表面波的传播,形成特定的频率带隙。这类EBG包括mushroom-EBG结构和UC-EBG结构。

　　相对于Bragg型EBG而言,谐振型EBG结构的整体尺寸更加紧凑。这类EBG结构可以看作等效集总参数LC网络来研究。其电磁特性可以使用其等效电感和等效电容来描述。在频率带隙范围内,EBG结构的表面阻抗非常大,阻止表面波的传播。带隙频率相当于等效的LC网络的谐振频率。由文献[10]可知,EBG的带隙中心频率及3 dB带宽可以分别由以下近似公式求得: