CN100440616C - 一种双频宽带电磁带隙结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双频宽带电磁带隙(EBG)结构及制作方法。其特征在于提供的结构是一种穿孔结构和高阻表面结构相结合的混合结构，电磁带隙结构中介质基片呈矩形，介质基片表面上紧附着穿孔结构和高阻表面结构；其阻带中心频率分别为1.6GHz和2.4GHz。在介质基片表面上紧附的穿孔结构和高阻表面结构是由周期性金属贴片单元、贴片单元上的穿孔窄缝隙以及贴片单元上的金属圆柱构成。根据已知的工作频率、介质厚度及其介电常数初步计算出微带线宽度、介质基片大小、正方形金属贴片尺寸以及高阻表面间距；利用电磁场HFSS8.0版的仿真软件优化仿真确定最后尺寸。有望应用于双星定位收/发集成天线及相应工作频率的电路中。

Description

一种双频宽带电磁带隙结构及制作方法

技术领域

本发明是一种具有双频段带阻特性的新型电磁带隙(EBG)结构及制作方法，属于电磁波传播与接收的技术领域。

背景技术

众所周知，在科技高速发展的现代社会，半导体的出现给我们的生活和科技的发展带来了深刻的影响。而几乎所有的半导体器件的作用都是靠利用和控制电子的运动来实现的。但由于电子本身特性所限，半导体器件的集成已到了极限状态。而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。所以人们希望能得到新的材料，就像控制半导体中的电子一样，可以自由的控制光子，从而有力地促进了近十年来光子晶体研究的发展。光子晶体这一新概念是在1987年提出的，在此之前，关于电子在周期势场中传播的能带理论已经相当成熟。而实际上，电磁波受到周期性调制也会有能带结构，也有可能出现带隙，能量落在带隙中电磁波也是禁止传播的。所以如果用不同介电常数的介质材料来构成周期结构，由于布拉格散射，在其中传播的电磁波就会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带(photonic band)。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙(photonicbandgap，简称PBG)。而这种具有光子带隙的介电材料周期性结构就是光子晶体(photonic crystals)，或叫做光子带隙材料(photonic bandgapmaterials)，在微波界有很多学者也称之为电磁带隙(electromagneticphotonic bandgap，简称EBG)结构。电磁带隙的出现与其结构单元形状、介质连通性、介电常数反差和填充比有关。一般说来，介电常数反差越大，出现电磁带隙的可能性越大。近年来，有关光子晶体、电磁带隙结构的文章在国外权威刊物如：Nature、Science和IEEE系列杂志上频繁地刊出，这也表明该研究领域已成为新的热点。目前电磁带隙结构的工程应用更为人们所关注，而与成熟的硅工艺相结合是人们常用的方法，所以出现了各种各样的全硅基光电子器件和全硅基光子器件。但是，随着通信设备日益小型化的今天，厘米波段的微波器件以及天线的尺寸要求越来越小型化、集成化，象硅等相对低介电常数的材料往往不能满足这小型化的要求，因此制备基于高介电常数电磁带隙结构及其应用已成为众望所归的目标。国内外诸多文献报道了一维、二维、三维等电磁带隙结构的研究，而且周期单元形状多种多样，象分形型、穿孔型、高阻表面型等，同时大多是采用单纯的一种结构构成周期单元。

发明内容

为了符合通讯设备小型化和集成化的要求，本发明的目的在于提供一种双频、宽带电磁带隙结构及制作方法。

首先，本发明提供一种双频、宽带的电磁带隙结构，它是一种穿孔结构和高阻表面结构相结合的混合结构；其阻带中心频带分别为1.6GHZ(带宽为±7.5MHZ)和2.4GHZ(带宽为7.5MHZ)，它是集成左旋圆极化天线为一体(收、发集于一体天线)时用作抑制表面波而降低互耦的一种有效结构。

圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即，沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，称之为左旋圆极化波，记为LCP(Left-Hand CircularPolarization)；若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为右旋极化波，记为RCP(Right-Hand Circular Polarization)。

所述的双频、宽带电磁带隙结构中介质基片呈矩形，介质基片表面上紧附着穿孔周期结构和高阻表面结构，这种新型结构是由呈正方形的周期性金属贴片、贴片单元上的穿孔窄缝隙以及贴片单元上相距为1mm的金属柱构成；两行电磁带隙(EBG)结构中心带上有一条50Ω微带线，微带线宽度根据介电常数和已知的频率决定。

本发明提供的双频、宽带电磁带隙结构是通过下述方式制作的：

第一、根据已知的工作频率、介质厚度及其介电常数初步计算出微带线宽度、介质基片大小、正方形金属贴片尺寸以及高阻表面间距；

第二、利用电磁场仿真软件(HFSS8.0版)优化仿真确定最后尺寸。其中，工作频率和正方形金属贴片、介电常数之间的关系式是：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

而L＝μ₀h(2)

$C=\frac{{\mathrm{w\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_{r1}+{\mathrm{\ϵ}}_{r2})}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{a}{g}\right)$

式中，ε_r1：为空气相对介电常数，ε_r1＝1；h：为介质基片厚度；

ε_r2：为介质基片相对介电常数；g：为方形贴片之间距离；

w：为方形金属贴片宽度；a：为高阻表面结构圆柱之间距离(见图1)；

在真空中μ₀＝4π×10^-7亨/米，

由此可见，本发明提供的双频宽带电磁隙结构的的特征在于所述的结构是一种穿孔结构和高阻表面结构相结合的混合双频宽带电磁带隙结构；带隙结构是由周期性金属贴片单元、贴片单元上的穿孔窄缝隙以及贴片单元上的金属圆柱构成；两行电磁带隙结构中心带上有一条微带线。

所述的穿孔结构是在介质基片表面周期性地排列带有4条窄缝隙的金属贴片单元，其中这4条窄缝隙分别邻近金属贴片单元的4个边缘且与之并行，并且首尾相接呈口字型。

所述的高阻表面结构是在介质基片表面印刷的每个贴片上有9个金属圆柱的周期性结构。

综上所述，本发明的主要优点是显而易见的：

1、穿孔结构和高阻表面结构相结合的混合双频宽带电磁带隙结构；

2、具有双频带隙特性；

3、该结构尺寸小于单纯的穿孔型结构和单纯的高阻表面型结构；

4、两个带隙频带内的S₁₂都达到了约-20dB；

5、以ε_r＝20的高介电常数的微波陶瓷材料作为例子，采用高介电常数的材料，可以缩短贴片几何尺寸；

6、实际可应用于双星定位收/发集成天线以及相应工作频率的电路中，以抑制表面波，达到降低互耦的目的。

附图说明

图1是穿孔和高阻表面相结合的电磁带隙结构。

图2是穿孔和高阻表面相结合型EBG结构的仿真模型(a)和带隙特性曲线(b)。

图3是单纯穿孔型EBG结构的仿真模型(a)和带隙特性曲线(b)。

图4是单纯高阻表面型EBG结构的仿真模型(a)和带隙特性曲线(b)。

图1中：1.微带线；2.穿孔窄缝隙；3.正方型金属贴片；4.金属圆柱。图2、图3、图4中：A：S₁₁曲线；B：S₁₂曲线。

具体实施方式

通过下面的具体实施方式以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步。

为了缩短结构单元的尺寸，采用了ε_r＝20的高介电常数(简称为高K材料)的微波介质材料为基片，设计出了双频宽带穿孔高阻表面结构(见附图1)。由图1可以看出，介质基片呈矩形(80mm×60mm×3mm)；介质表面上紧附着高阻表面电磁带隙(EBG)结构，它由三部分构成：周期性金属贴片单元(呈正方形，尺寸为13.8mm×13.8mm)、贴片单元上的穿孔窄缝隙(每个贴片上共4条，尺寸为9mm×1mm)和贴片单元上相距为2mm的金属圆柱(每个贴片上共9个，高度为3mm，直径为Φ＝1mm)等；两行电磁带隙(EBG)结构中心带上有一条50Ω的微带线(微带线长宽为80mm×1.4mm)，当测试微带线S₁₁和S₁₂特性曲线时可以清楚地看到相应频带上的截止现象。为了得到固定的双频带隙特性，应首先根据已知的工作频率、介质厚度及其介电常数初步计算微带线宽度、介质基片大小、方形金属贴片尺寸、高阻表面间距等几何尺寸，然后利用电磁场专业软件(高频电磁场仿真软件HFSS8.0版)优化仿真确定最后尺寸。具体实施的方法为：

第一、采用人工烧结的方式来制作一定厚度的，具有高介电常数(ε_r＝20)，均匀性良好的衬底材料，结合丝网印刷技术来完成厚膜焙银。

第二、穿孔结构和高阻表面相结合型EBG结构带隙特性如附图2所示，单纯穿孔型EBG结构的带隙特性曲线如图3所示，单纯高阻表面型EBG结构的带隙特性曲线如图4所示，从上述几幅带隙特性图可以看出同尺寸的穿孔型和高阻表面型EBG结构的带隙中心频率都偏高于两者相结合型EBG结构带隙中心频率。

Claims (7)

1、一种双频宽带电磁带隙结构，其特征在于所述的结构是一种穿孔结构和高阻表面结构相结合的混合双频宽带电磁带隙结构；带隙结构是由周期性金属贴片单元、贴片单元上的穿孔窄缝隙以及贴片单元上的金属圆柱构成；两行电磁带隙结构中心带上有一条微带线；

所述的穿孔结构是在介质基片表面周期性地排列带有4条窄缝隙的金属贴片单元，其中这4条窄缝隙分别邻近金属贴片单元的4个边缘且与之并行，并且首尾相接呈口字型；

所述的高阻表面结构是在介质基片表面印刷的每个贴片上有9个金属圆柱的周期性结构。

2、按权利要求1所述的双频宽带电磁带隙结构，其特征在于在所述的电磁带隙结构中介质基片呈矩形，介质基片表面紧附着穿孔结构和高阻表面结构；其阻带中心频率分别为1.6GHZ和2.4GHZ；带宽分别为7.5MHZ。

3、按权利要求1或2所述的双频宽带电磁带隙结构，其特征在于采用ε_r＝20的高介电常数的微波介质材料为介质基片。

4、按权利要求1所述的双频宽带电磁带隙结构，其特征在于周期性金属贴片单元呈正方形，每个贴片单元上的9个金属圆柱彼此相距2mm。

5、按权利要求2所述的双频宽带电磁带隙结构，其特征在于所述的微带线的阻值为50Ω，微带线的宽度根据介质基片的介电常数和已知频率决定。

6、制作如权利要求1、2或4中任何一项所述的双频宽带电磁带隙结构的方法，其特征在于具体步骤是：

(1)根据已知的工作频率、介质厚度及其介电常数初步计算出微带线宽度、介质基片大小、金属贴片的尺寸以及高阻表面间距；

(2)利用电磁场HFSS8.0版的仿真软件优化仿真确定最后尺寸，

其中，工作频率和金属贴片、介电常数之间的关系式是：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

而L＝μ₀h                                        (2)

$C=\frac{{\mathrm{w\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_{r1}+{\mathrm{\ϵ}}_{r2})}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{a}{g}\right)$

式中，ε_r1：空气相对介电常数

ε_r2：介质基片相对介电常数

w：金属贴片宽度

a：高阻表面结构圆柱之间距离

g：金属贴片之间距离

h：介质基片厚度。

7、按权利要求6所述的双频宽带电磁带隙结构的制作方法，其特征在于在真空中μ₀＝4π×10^-7亨/米， ${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{1}{36\mathrm{\π}}\×{10}^{-9}$ 法/米。

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