CN1387282A - 用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置,其利用多层电路板制成,此立体周期结构装置包含一第一金属层,一第二金属层,一通路层。本发明的装置同时能于此高阻抗表面的金属表面的正反二面皆呈现高阻抗表面的特性。利用此新的周期结构装置的第一个表面波模(surfacewave mode)亦具有慢波的传输特性,可以延伸至共振器的应用。

Description

用于高阻抗及慢波应用的微小化、 导电、双面式的立体周期结构装置

本发明是关于一种用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置。

波动方程式在周期结构装置(periodical structure)的通带(bandpass)及止带(band stop)的特性已广泛地被使用在半导体及无线电通讯领域上。在固态物理中因结晶体的周期结构装置形成各式各样的能阶带，进而形成各种有趣的应用，如光电组件的雷射二极管，高速微波/毫米波的电子组件，如天线、滤波器、光栅(optical grating)等。近年来以电磁波为基础所设计的周期组件亦不断被开发出来，其频谱可从微波一直延伸至光波波段。

并行于上述以电磁波为基础所开发的周期组件，一种利用多层印刷电路板(PCB)来制作的选频表面(frequency selective surface，FSS)在过去30年间也逐渐成熟地应用在天线系统。将周期结构装置，通常是利用1/2波长的孔径(aperture)或间距(pitch)的金属组件排列成一个二度空间的周期数组，经由多层印刷电路板制程，印在介质基板(dielectric substrate)上，可用来选择性地反射或透射电磁波信号，由于多层印刷电路板制程是当今微波及微电子工程最常引用的制造技术，有许多新的周期结构装置及应用即利用此项技术来实现。此外，利用印刷电路板制造的选频表面可用在电磁干扰(EMI)的防止、毫米波雷达影像、光电开关(High-Q Switch)等。

Te-Kao Wu在美国专利案号5,497,169揭示如图1的选频表面设计，方形回路(square-loop)的全周长约为一个波长，藉由适当的设计，横电波(TE)及横磁波(TM)入射波在相当广泛(0～40°)的入射角间得以接近无损耗地穿透(约8GHz)及反射(约14GHz)于不同频率。Rosen在美国专利案号4785310揭示另一种选频表面设计，在矩形回路(rectangular loop)内加上一电容，如图2所示，由201及202金属线形成一边际耦合电容(edge-coupled capacitor)，此电容和连接其两端周围的矩形回路形成第一低频LC并联共振器。此时整个周期结构装置的金属表面呈极高阻抗状态，入射的电磁波将被全反射，且保持原来相角，频率约12 GHz。当频率升高后，上述201及202所形成的电容呈短路状态，整个矩形回路形成一个等效电感，而周期结构装置的单元细胞(cell)与单元细胞之间的电容耦合及此等效电感形成串联共振的低阻抗状态，于是入射的电磁波得以穿透，频率约14GHz。

上述两个实例的穿透及反射频率的相对高低位置正好相反。根据Rosen所揭示者，借着周期结构装置单元细胞内部增加的电容，将反射状态从高频14GHz(Te-Kao Wu所揭示者)移至较低频的12GHz，且同时形成一个并联共振电路。类似的观念也出现在与选频表面几乎完全不同用途的周期结构装置上。Sievenpiper等人揭示的高阻抗表面(high impedance surface，HIS)，藉由多层电路板制作方式，利用多层板金属间所形成的金属—绝缘体—金属(metal-insulator-metal，MIM)电容来增加周期结构装置单元细胞内部的电容，并利用多层电路板的通路孔(via hole)至最底面的金属面所形成的电感，组成一个并联的共振腔。如图3所示，层一与层二所形成的周期性的金属—绝缘体—金属(MIM)电容，如10-30、30-50、50-70、及70-90之间所形成的电容，其电容值与这两层金属间的介质厚度成反比。因此，由20、40、60、80、100等通路孔所形成的电感在相当小的尺寸下，能和上述电容形成并联共振且其共振频率得以很快地下降，而不须用太大空间。

此高阻抗表面周期结构装置与选频表面周期结构装置的工作特性有一显著差异，即在低频或工作频率低于高阻抗表面共振频率时，高阻抗表面特性接近一金属面。换而言之的，入射波不仅呈全反射，而且反射角接近-180°。当频率逐渐升高，此高阻抗表面周期结构装置先呈电感性，到达并联共振频率时呈非常高阻抗，反射波与入射波的相角差异趋近于0°。频率高于共振点后，此高阻抗表面周期结构装置呈电容性。利用更精密的电磁场论，加上周期结构装置Floquet’s Theorem理论，吾人可求出在不同方向的布里渊图(Brillouin diagram)，显示横电波模(TE)或横磁波模(TM)在高阻抗表面表面传播的特性。藉有限元素方法(finite element method，FEM)的分析，图3的高阻抗表面的模式色散图(modal dispersion diagram)或布里渊图(Brillouindiagram)显示其第一表面波(surface wave)为横磁波模(TM)，随着频率增加，第二表面波为横电波模(TE)。在这两种波之间存在一止带，即为上述用等效电路所定性说明的并联共振高阻抗区域，这是周期结构装置经常出现的物理现象。值得注意的是，当频率在前述止带以下，横磁波模(TM)的相速(phase velocity)接近但略低于光速，直到接近前述止带，其相速才转趋变小，同时群速(group velocity)亦趋近于零。

利用前述的止带，吾人可抑制在印刷电路板基板传播的表面波，进而降低表面波产生的损耗，增加平面天线的增益。同时为了比较不同的设计，且考虑使用的基板相对介质常数(relative dielectricconstant)ε_r不同，吾人分别定义尺寸减小因子(size reductionfactor，SRF)与归一化尺寸减小因子(normalized size reductionfactor，SRF_N)如下：

SRF=half free-space wavelength/cell periodicity

＝((0.5×C)/f_stopband)/(unit cell size)          …………(1)其中，c为光速，f_stopband则指周期结构装置第一个止带的频率。大致而言，尺寸减小因子SRF值愈大则单元细胞的尺寸缩小程度愈高。 ${\mathrm{SRF}}_N=\frac{\mathrm{SRF}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\…\…\…\…\left(2\right)$

Itoh等人提出一种名为单平面紧密光子能隙(uniplanar compactphotonic bandgap，UC-PBG)的周期结构装置，其不具有通路孔，基本上是由两面金属及其中间的介质基板所组成，其中一面金属为一均匀的金属面，另一面则为周期结构装置(如图4所示)，并可视为一由微带电路所组成的二维周期结构装置。单平面紧密光子能隙(UC-PBG)周期结构装置除了可以藉助单元细胞四周电感性的衔接及四边电容的耦合所造成的高阻抗的并联共振，使单元细胞的尺寸与Sievenpiper所揭示的高阻抗表面周期结构装置同样皆能缩小尺寸，其单元细胞的尺寸略小于(0.5×C)/(f_stopband×

)。与前述Sievenpiper所揭示的高阻抗表面周期结构装置有显著差异者是图4的表面波布里渊图的最低阶横磁波模在低频时，其相速趋近c/

)，即图4的单平面紧密光子能隙(UC-PBG)周期结构装置趋近低频的慢波因子(slow wave factor)，为

。慢波因子定义为λ₀/λ_g，λ₀为电磁波在自由空间的波长，λ_g为电磁波在波导的波长。

依文献报导的实例，Sievenpiper等所揭示的一层周期结构装置的高阻抗表面设计的尺寸减小因子SRF值为3.93(2.65

)，ε_r＝2.2，止带在15GHz，单元细胞尺寸为2.54mm：单平面紧密光子能隙(UC-PBG)周期结构装置的高阻抗表面设计的尺寸减小因子SRF值为4.1(1.28

)，ε_r，＝10.2，止带在12GHz，单元细胞尺寸为3mm。尺寸减小因子SRF值愈大代表周期结构装置单元细胞及其和周围细胞耦合后的单位面积所产生的并联共振电感及电容值愈大。因此，共振频率往低频移动，造成高阻抗表面周期结构装置的第一个止带可以用相当小的周期达成。Rosen提出的增加单元细胞的电容方式其所形成的高阻抗表面周期结构装置的归一化尺寸减小因子SRF_N值约1.1。

另一值得注意者，Sievenpiper等人所提的高阻抗表面结构，除了增加单元细胞与单元细胞之间的耦合电容之外，并利用相当厚的基板(约0.15mm)来增加单元细胞的电感量，藉此达到增加尺寸减小因子SRF值的目的。

综上所述，利用印刷电路板制程设计的上述周期结构装置产生高阻抗表面特性现象，Rosen提出的增加单元细胞的电容的方式，可设计出高阻抗表面周期结构装置，其尺寸减小因子SRF值约1.97，而且电磁波的入射在正反二面皆具有高阻抗表面特性。相对应于Rosen的单元细胞，Sievenpiper及Itoh等人提出的单元细胞具有显著较高的尺寸减小因子SRF值，但是其高阻抗表面周期结构装置表面的使用只能在单面，因为它们在高阻抗表面周期结构装置的另一面有接地金属面。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种藉由相当薄的多层电路板制程以设计微小化的高阻抗表面的金属表面周期结构装置，同时能于此高阻抗表面的金属表面的正反二面皆呈现高阻抗表面的特性。

本发明的另一目的在于利用此新的周期结构装置的第一个表面波模(surface wave mode)亦具有慢波的传输特性，延伸至共振器的应用，例如，传统的导线天线(wired antenna)尺寸大约可以缩小至1/

倍，ε_r为基板相对介质常数。

本发明提供一种用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其利用多层电路板制成，此立体周期结构装置包含一第一金属层，一第二金属层，一通路层。该第一金属层是由多个第一单元细胞组成的二维周期结构装置，各该第一单元细胞与其邻近的第一单元细胞彼此不衔接，且各该第一单元细胞是由金属线回路构成。该第二金属层是由多个第二单元细胞组成的二维周期结构装置，该第二金属层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该第二单元细胞分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞，各该第二单元细胞与其邻近的第二单元细胞彼此衔接，且各该第二单元细胞是由金属线回路构成。该通路层是由多个通路孔组成的二维周期结构装置，该通路层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该通路孔分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，各该通路孔用于连接各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，且各该通路孔是由一介质层经周期性穿孔，再于孔壁镀上金属而形成。

当一电磁波从第一金属层或第二金属层照射进去，此时在第一金属层的第一单元细胞会形成一局部回路的金属电流，该电流透过通路层流至第二金属层的第二单元细胞因而形成一回路金属电流。由于在第一金属层的第一单元细胞与第一单元细胞之间具有电感性及电容性的耦合，加上第一金属层的第一单元细胞和与其相对应的第二金属层的第二单元细胞亦形成电感性及电容性的耦合，使得该立体周期结构装置的共振频率能降至较低频率。而在第二金属层的第二单元细胞的任何一点可与其它第二单元细胞的任何一点导通，因此第二金属层的周期结构装置可视为一具有周期性的导通面，亦因回路而形成另一电感回路，更进一步使得该立体周期结构装置的共振频率降低。并且通路层采用的介质厚度非常薄，因此电容性耦合就相形地提升，亦进一步使得该立体周期结构装置的共振频率降低。同时第一金属层的第一单元细胞之间与第二金属层的第二单元细胞之间所造成的电磁耦合为立体式，因此能达到单元细胞尺寸缩小的目的。该立体周期结构装置在共振频率或所谓的止带(stopband)，其阻抗非常高，并且同时能于此金属表面的第一金属层与第二金属层二面皆呈现高阻抗表面(highimpedance surface)的特性。该立体周期结构装置在止带区呈现的高阻抗表面特性可用来作电磁波的反射板或抑制表面波的不必要损耗，以达到改进电磁组件性能的目的。此外，在远低于该立体周期结构装置的共振频率，该立体周期结构装置类似一完美的金属，利用该立体周期结构装置制造的偶极天线可以大约缩小尺寸至理想化偶极天线的1/ 倍。

图式说明

图1已有技术的选频表面的周期结构装置。

图2另一种已有技术的选频表面的周期结构装置。

图3已有技术的高阻抗表面的周期结构装置。

图4已有技术的单平面紧密光子能隙的周期结构装置。

图5本发明的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置。

图6(a)本发明的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置其单元细胞呈方形金属线回路的电磁耦合的电路模型。

图6(b)为图6(a)中各层间单元细胞电磁耦合的电路模型。

图7用以测试本发明的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置其双面皆呈现高阻抗现象的量测系统。

图8为图7的量测系统的测试结果。

图9利用本发明的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置所设计的一种偶极天线。

图10为图9的偶极天线的仿真电场辐射场型与理想偶极天线的仿真电场辐射场型。

符号说明

201、202金属线

10、50、、90层二

30、70层一

20、40、60、80、100通路孔

320通路层

41、42、43、44、45、46、47、48、49第二单元细胞

401、402、403、404、411、412、413、414第二单元细胞的脚部

471第二单元细胞的臂部

480第二单元细胞的通路垫部

51、52、53、54、55、56第一单元细胞

501、502、503、504、521第一单元细胞的脚部

571第一单元细胞的臂部

580第一单元细胞的通路垫部

C_a第一单元细胞与其相邻的第一单元细胞的耦合电容

C_b第一金属层—通路层—第二金属层的耦合电容

L₁第一单元细胞的脚部回路的电感

L₂第二单元细胞的脚部回路的电感

L_a第一单元细胞的臂部的电感

L_b第二单元细胞的臂部的电感

L_v通路孔的电感

M₁第一单元细胞的电感与其相邻的第一单元细胞的电感相互的间的耦合电感

M₂第一单元细胞的电感与其相对应的第二单元细胞的电感相互之间的耦合电感

本发明提供一种用于高阻抗及慢波应用的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其利用多层电路板制成，可使用常见的FR-4纤维玻璃基板，例如图5所示，或Duroid微波基板，或单晶集成电路较常使用的polyimide、Si₃N₄等介质层材料来制作，多层陶瓷制程亦适合用以制作。

参考图5，本发明主要包括三个部份，各部份交互使用且互相耦合，以达到微小化的目的。其中第一金属层表示第一部份，是利用多层基板中的一金属层设计出一片二维的周期结构装置，其中每一个第一单元细胞的结构完全相同。第一单元细胞55与其邻近的第一单元细胞52、54、56等藉由空间的电磁耦合，但彼此不衔接。这些第一单元细胞排列成晶格(lattice)形状，如第一单元细胞51、52、53等形成第一列(row)数组及第一单元细胞54、55、56等形成第二列数组等所形成的方形式晶格形状，晶格形状亦可排列成其它如蜂巢式形式。以第一单元细胞55为例，吾人可将其分成回路部(loop)、臂部(arm)、及通路垫部(viapad)。回路部可由单一金属线回路构成，亦可由金属线多回路构成。第一单元细胞55的回路部是由四脚部(leg)501～504所组成的一方形回路。上述四个脚部所形成的方形回路由一脚部504的任何部位衔接至臂部571，臂部571再衔接至通路垫部580。如此一来，由回路部、臂部、及通路垫部所形成的第一单元细胞本身的一金属电流为导通的，藉此形成一局部回流的金属电流通于第一金属层的第一单元细胞与其它第一单元细胞的局部回流的金属电流作电磁耦合。例如，第一单元细胞55与第一单元细胞56可透过一脚部503及一脚部521作电磁耦合，其耦合方式不仅因一脚部503及一脚部521非常接近而产生电容耦合，亦因回流电流而产生电感耦合。

因此，本发明与已有技术所揭示的单元细胞设计的动作原理不同，同时在第一金属层的第一单元细胞与第一单元细胞之间具有电感性及电容性的耦合，而且彼此不接触，使得立体周期结构装置的共振频率能降至较低频率。在第一金属层的第一单元细胞本身的回路部及臂部亦形成一电感回路，在其上流通的电流透过通路垫部而流至第二部份----即一通路层，然后再流至第二金属层(即第三部份)的第二单元细胞。该通路层由一介质层经穿孔，再于孔壁镀上金属而形成。图5的一通路层320衔接第一金属层的第一单元细胞55及第二金属层的第二单元细胞45。第二单元细胞45在第二金属层被第二单元细胞42、44、46、48等所环绕。第二金属层具有多个第二单元细胞，每个第二单元细胞的结构与第二单元细胞45相同，且排列成与第一金属层的周期结构装置相对应的晶格形状。举例来说，若第一金属层的周期结构装置排列成三角形状，第二金属层就依样排列成三角形状的周期结构装置。在第二金属层的单元细胞和第一金属层相似，但是第二单元细胞与第二单元细胞之间没有间隙而彼此衔接。在第二金属层的第二单元细胞的任何一点可与其它第二单元细胞的任何一点导通，因此第二金属层的周期结构装置可视为一具有周期性的导通金属面。

以第二金属层的第二单元细胞45为例，上述流经该通路层320的电流，经通路垫部480流入臂部471，再流入一脚部402。四脚部401～404形成一回路。流出该脚部401的电流会流入一脚部412、一脚部413、一脚部414、一脚部411所形成的另一回路。依此类推，此最外层回路的外缘与其它相同的第二单元细胞衔接在一起，构成一大型的周期性金属面系统。因此在第二金属层的第二单元细胞与其它第二单元细胞之间，其最外围是一共享的电流，使得该金属面系统虽然遭受周期性的蚀刻破坏，仍能维持模电流的流动。

第一金属层的第一单元细胞55及第二金属层的第二单元细胞45分别在上下对应的位置，因此第一金属层所含的第一单元细胞数目与第二金属层所含的第二单元细胞数目相同。在第一金属层的第一单元细胞55至少具有一回路，在第二金属层的第二单元细胞45亦至少具有一回路。由于第一单元细胞55与第二单元细胞45藉由该通路层320衔接，二者之间亦形成电磁耦合。这种电磁耦合与第一金属层的第一单元细胞55与其邻近的第一单元细胞如52、54、56等之间的电磁耦合类似，有电感性和电容性。由于本发明采用的介质厚度可为非常薄，例如印刷电路板制程中采用0.2mm或单晶IC制程采用0.2μm，因此电容性耦合就相形地提升。同时第一金属层的第一单元细胞55的电流与第二金属层的第二单元细胞45的电流，在其它的第一单元细胞与第二单元细胞之间皆可造成回流，所以亦存在电感耦合。于是第一金属层的第一单元细胞之间与第二金属层的第二单元细胞之间所造成的电磁耦合为立体式，因此能达到单元细胞尺寸缩小的目的。举例来说，第一单元细胞55的一脚部503及第二单元细胞45的一脚部403与一脚部413上下平行，根据毕欧-沙法特定律(Biot-Savart Law)，且由于脚部503、403、413的距离非常接近基板厚度，因此它们之间的电感耦合量相对地也提升很多。另外第二单元细胞45本身亦因一回路而形成另一电感回路，更进一步有助于整体立体周期结构装置的共振频率降低。

综合上述，图6(a)表示根据本发明的高阻抗表面的立体周期结构装置的单元细胞呈方形的电磁耦合的电路模型，其中包括三大部份：第一金属层、一通路层、及第二金属层。由该图可清楚地看出其工作原理：第一金属层，第一单元细胞所含的一回路由四个串联电感L₁代表，相对应于图5的四脚部501～504。这四个电感存在电感式地耦合至相邻的第一单元细胞，其每一电感的耦合量为M₁。图6(a)显示这四个自感量为L₁的电感回路分别用四个电感耦合方式和相邻的细胞耦合。L₁及M₁的大小分别受四脚部501～504的宽度、长度及第一单元细胞与第一单元细胞之间的间隙所影响。至于第一单元细胞与第一单元细胞之间的一分布电容耦合，每一个第一单元细胞用8个电容C_a耦合至四边相邻的第一单元细胞。再者，臂部571及臂部471各代表的一电感量分别以L_a、L_b表示。该通路层藉一通路孔数组衔接第一金属层的第一单元细胞与第二金属层的第二单元细胞。该通路孔的电感量以L_v表示。将第二金属层的第二单元细胞所代表的电路简化成四个串联电感所形成的一回路。第二单元细胞与第二单元细胞之间共享一电感，其电感量以L₂表示。图6(b)表示各层间单元细胞电磁耦合的电路模型，第二金属层的电感与第一金属层的串联回路电感进一步作电感性耦合，其耦合量为M₂。图6(b)显示四个耦合量为M₂的耦合电感分别形成在第二单元细胞的四周上。这四个耦合电感M₂本身亦含有电容耦合，其等效电路用C_b表示。等效电路C_b一端跨在第一金属层的任一电感电路的中央，另一点跨在第二金属层其相对于第一金属层的电感的正下方的电感电路中央。图5的四脚部401～404、四脚部411～414的宽度、长度，以及脚部间的距离皆会改变L₂的数值。第一金属层的一脚部503与第二金属层的一脚部403及一脚部413的相对位置，及其本身的宽度、长度皆会改变M₂值。前述的分布式的耦合电容除了由第一金属层及第二金属层的回路大小、宽度来控制外，亦可经由改变基板厚度来控制。在改变L₁、L₂、M₁及M₂的值时，C_a及C_b的值也会相对地变化。

若一电磁波从图5的上方或下方照射进去，而且频率远低于整个立体周期结构装置的等效电路的共振频率，此时电磁波波长远大于第一单元细胞及第二单元细胞的周期，电磁波所见者是一由第一金属层与第二金属层所合成的金属面。同时，基板厚度远小于电磁波波长，所以电磁波真正见到者是一合成金属导体面，其对入射电磁波所造成的影响与一般均匀的一平面导体相同。当电磁波频率逐渐升高并趋近图6(a)所示的等效电路的共振频率，电磁波由第一金属层面入射或由第二金属层面入射并无甚差异，因为该立体周期结构装置共振须依赖三度空间电磁耦合始能完成。共振现象除了在第一金属层的平面方向存在外，亦同时存在于垂直第一金属层及第二金属层的方向上，因此，本发明对入射的电磁波而言是一双面均可形成高阻抗表面的金属周期结构装置。由于由第一金属层、一通路层、第二金属层所形成的立体金属周期结构装置在共振频率或所谓的止带，其阻抗非常高，因此反射波的相角相对于入射波的相角会接近零度。

图7显示一测量系统，用以测试本发明的高阻抗表面的立体周期结构装置双面皆呈现高阻抗现象。该测量系统包含：一向量分析仪、一发射式喇叭形天线(transmitting horn antenna)及一接收式喇叭形天线(receiving horn antenna)。待测物有两个，第一待测物为常见的金属板；第二待测物即本发明的高阻抗表面的立体周期结构装置，如图5所示，其大小约略同于第一待测物。向量分析仪用以进行如图7所示的反射实验，比较第一待测物与第二待测物所反射的第一反射信号与第二反射信号的相角差异，∠Γ_HIS-∠Γ_metal，∠Γ_HIS为第二待测物的反射信号相角，∠Γ_metal为第一待测物的反射信号相角。根据上述的说明，在远低于共振频率的下，第一待测物与第二待测物所反射的电磁波的相角皆与入射波相角相差180度，因此第一反射信号与第二反射信号的相角差为零。随着频率升高，第二待测物阻抗逐渐升高，反射信号的相角与入射波的相角逐渐趋向一致；但是，第一待测物所反射的信号的相角与入射波的相角则一直维持在180度。图8所示的二组曲线分别是入射波从第二待测物的第一金属层照入(front side，正面)及入射波从第二待测物的第二金属层照入(back side，背面)，此二组曲线几乎重叠，而且其共振频率点(∠Γ_HIS-∠Γ_metal＝180°)在12.5GHz，非常接近实验设计值12GHz。第二待测物的设计参数如下，参考图5所示：

高阻抗表面周期结构装置的尺寸：30cm×22cm，FR-4纤维玻璃基板，ε_r＝4.5，双面印刷电路板制程，基板厚度0.508mm，铜板厚度0.02mm，第一单元细胞与第二单元细胞的尺寸：1.5mm×1.5mm，第一单元细胞与第一单元细胞的间距0.2mm，第一单元细胞的脚部501～504的长度1.5mm，第一单元细胞的脚部501～504的宽度0.2mm，第一单元细胞的臂部571的长度0.2mm，第一单元细胞的臂部571的宽度0.2mm，第一单元细胞的通路垫部580的外围半径0.35mm，第一单元细胞的通路垫部580的孔径半径0.2mm，第二单元细胞的脚部401～404的长度1.5mm，第二单元细胞的脚部401～404的宽度0.2mm，第二单元细胞的臂部471的长度0.2mm，第二单元细胞的臂部47l的宽度0.2mm，第二单元细胞的通路垫部480的外围半径0.35mm，第二单元细胞的通路垫部480的孔径半径0.2mm。

根据本发明的上述实例，其尺寸减小因子SRF值为8.57(4.04

)，可得到较已有的所有文献为高的尺寸减小因子SRF值，同时归一化尺寸减小因子SRF_N值亦约50％高于Sievenpiper等人所叙述的双层板高阻抗表面周期结构装置。尤其值得一提者，在提升尺寸减小因子SRF值时，固然可以提升相对介质常数的数值，但是高阻抗表面周期结构装置的设计还须考虑止带的频宽等因素。经过适当的调整共振频率位置及止带的频宽，最后所呈现的尺寸减小因子SRF值才能客观地评价出单元细胞缩小化的努力成果。图8所示的测试结果显示的频宽为9GHz，即反射信号的相角差异介于-90°与-270°，因此频宽相对于中心频率的百分比也是已知结构中最宽的一种，Δf/f₀为72％。图8所示的测试结果是以内插法连接各个实验测试点，以利于分析。

这种在止带区同时呈现的高阻抗表面特性可用来作电磁波的反射板或消除表面波的不必要损耗，以达到改进电磁组件性能的目的。本发明除了提供上述类似的应用之外，尚产生一新的应用，根据上述的说明，在远低于共振频率，其类似一完美的金属，其表面波的模电流相位速度约为光速的1/ 倍，吾人可利用此特性来设计一微小化的偶极天线(dipole antenna)。图9显示一利用本发明的高阻抗表面周期结构装置所设计的2.45GHz偶极天线，其是由1×24单元细胞数组所组成的高阻抗表面的立体周期结构装置，长度约为35mm。吾人利用Balanced信号来激发此偶极天线，并利用全波积分方程(method ofmoment)来仿真图9的电磁辐射场型，其电场(E-Plane)辐射场型如图10所示。此辐射场型几乎与金属线所作的理想偶极天线相同。

以上所述为本发明的较佳具体实施例，然而本发明并非仅局限于上述的实施例，在不超出本发明的精神及以下权利要求范围的情形下，可作种种变化实施。例如，前述的第一单元细胞与第二单元细胞的金属线回路亦可呈其它几何形状，视实际需要而决定设计的形状。

Claims (6)

1.一种应用于高阻抗表面的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其利用多层电路板制成，此周期结构装置包含：

一第一金属层，是由多个第一单元细胞组成的二维周期结构装置，各该第一单元细胞与其邻近的第一单元细胞彼此不衔接，且各该第一单元细胞是由金属线回路构成；

一第二金属层，是由多个第二单元细胞组成的二维周期结构装置，该第二金属层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该第二单元细胞分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞，各该第二单元细胞与其邻近的第二单元细胞彼此衔接，且各该第二单元细胞是由金属线回路构成；以及

一通路层，是由多个通路孔组成的二维周期结构装置，该通路层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该通路孔分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，各该通路孔用于连接各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，且各该通路孔是由一介质层经周期性穿孔，再于孔壁镀上金属而形成。

2.如权利要求1的应用于高阻抗表面的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其中各该第一单元细胞与各该第二单元细胞是由方形金属线回路构成。

3.如权利要求1的应用于高阻抗表面的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其中各该第一单元细胞与各该第二单元细胞是由蜂巢状的金属线回路构成。

4.一种用于制作偶极天线的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其利用多层电路板制成，此周期结构装置包含：

一第一金属层，是由多个第一单元细胞组成的二维周期结构装置，各该第一单元细胞与其邻近的第一单元细胞彼此不衔接，且各该第一单元细胞是由金属线回路构成；

一第二金属层，是由多个第二单元细胞组成的二维周期结构装置，该第二金属层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该第二单元细胞分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞，各该第二单元细胞与其邻近的第二单元细胞彼此衔接，且各该第二单元细胞是由金属线回路构成；以及

一通路层，由多个通路孔组成的二维周期结构装置，该通路层的二维周期结构装置的排列方式与该第一金属层的二维周期结构装置的排列方式相同，各该通路孔分别以一对一的对应方式对应至各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，各该通路孔用于连接各该第一单元细胞与各该第二单元细胞，且各该通路孔是由一介质层经周期性穿孔，再于孔壁镀上金属而形成。

5.如权利要求4的用于制作偶极天线的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其中各该第一单元细胞与各该第二单元细胞是由方形金属线回路构成。

6.如权利要求4的用于制作偶极天线的微小化、导电、双面式的立体周期结构装置，其中各该第一单元细胞与各该第二单元细胞是由蜂巢状的金属线回路构成。

Images